专利名称：一种组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法
技术领域：
本发明涉及金属的加工方法，特别提供了一种组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法。
背景技术：
由于高铬铸铁耐磨性能好，冲击韧性相对较高，因此被广泛用于制造冷轧辊喷丸机的喷丸叶片，喷丸机上的喷丸叶片在喷丸时叶片根部承受了较大的冲击和弯曲应力，而叶片尖部则承受高速运动铁丸的剪切磨损，因此叶片常因尖部磨穿而影响喷丸效率，叶片的长度也受到冲击韧性的限制。若能研制成一种叶片尖端耐磨性好，叶片根部冲击韧性高的复合结构的高铬铸铁材料叶片将有效地提高喷丸机的使用寿命和使用效果。
烧结矿单辊破碎机齿冠需要非常好的耐磨性，但支撑臂则需要较高的抗弯强度和冲击韧性。为了解决这个问题，工程上常需要采用高铬铸铁和铸钢双金属复合镶铸技术。这样不但成本很高，而且双金属之间为机械连接，因此若连接失败，则易导致齿冠脱落，损害设备。若能制成具有梯度组织的齿冠可形成与双金属复合镶铸性能相当的齿冠。
M2工具钢制作齿轮时，齿尖受磨，齿根受弯。
诸如此类，由于部位受力类型不同而导致失效形式不同的零件还很多。因此，研究具有复合结构的金属材料件，对耐高磨损高冲击的产业将具有重大意义。
技术内容本发明提供了一种组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法，其特征在于以共晶组织为耐磨相的合金为原料，制成具有等轴状初晶铸造组织的坯锭，把坯锭加热到介于固相线和液相线之间的半固态温度区域，以0.001～100s-1的速率将半固态合金挤压到预制模具中。
本发明所提供的组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法中，可以通过电磁搅拌铸造具有等轴状初晶铸造组织的坯锭。
本发明所提供的组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法中，所指的合金体系一般为亚共晶体系，最好选择为高铬铸铁、工具钢。
当合金选用高铬铸铁时，加热温度为1220～1250℃，挤压速率为0.01～0.001s-1。可以用于冷轧辊喷丸机喷丸叶片、烧结矿单辊破碎机齿冠的制造。
本发明中，通过挤压具有等轴状初晶组织的半固态高铬铸铁，样品的液相在应力作用下被挤向表面，凝固后形成了共晶组织所占体积百分比沿径向由内向外逐步增加的梯度组织。通过组织分析表明挤压温度对挤压后共晶组织分布有明显的影响。挤压速率对共晶组织分布影响不大。
众所周知，高铬铸铁是一种优质的耐磨材料，其耐磨组织主要是共晶组织中的碳化物。对绝大多数情况，耐磨工件只需要表面1-2厘米的耐磨层。因此碳化物的均匀分布影响了高铬铸铁的冲击韧性。通过本发明方法，合金可形成由芯部到表面共晶组织由少到多呈梯度分布的情况。若利用这一特点加工出具有2-3厘米共晶组织为主的表面和以初晶组织为主的支撑主体，将能够在不降低耐磨性的同时大大提高工件的冲击韧性。另外，通常情况下耐磨件与传动轴是机械连接的，因此耐磨工件的尺寸精度要求高，普通铸造的耐磨工件需后续处理，半固态铸造具有铸造精度高，缺陷少，可以一次加工成型，铸造温度低，模具寿命长等特点。因此有望在不提高生产成本的前提下制造具有复合结构的高铬铸铁零件。当然其它的材料也可以用这种方法进行加工形成梯度材料，改善性能。
图1为高铬铸铁在不同的挤压温度下所获得的共晶组织沿轴向分布；图2为高铬铸铁共晶组织沿轴向不同位置的金相图；图3为Al-7％Si合金共晶组织沿轴向分布。
具体实施例方式实例11.通过电磁搅拌铸造，形成具有等轴状初晶铸造组织的高铬铸铁圆形胚锭，成分见表1。2.把胚锭加热到半固态温度1240℃±5℃。3.以一定的速率(0.1s-1～10s-1)把半固态合金挤压到预制模具中。真实变形量ϵ=ln(HoHo-Ht)]]>要大于1.8。
表1不同成分的三种高铬铸铁合金
为了反映成分对力学性能的影响，测量了三个成分的高铬铸铁合金在单向挤压后形成圆盘状具有梯度组织的样品中心冲击韧性值和样品沿径向的硬度值变化，见表2。No.2高铬铸铁合金在单向挤压后形成圆盘状具有梯度组织的样品不同部位的金相结构见图2。
表2三种合金的力学性能
为了反映挤压温度对组织分布的影响，对No.2高铬铸铁合金的样品分别在不同的挤压温度，以相同的挤压速率0.01s-1进行了单向挤压，形成圆盘状具有梯度组织的样品，所获得的共晶组织沿轴向分布见图1。
实例2Al-7％Si合金1.将Si重量百分比为7％的铝硅合金通过搅拌凝固，形成具有等轴状初晶的铝合金锭胚。2.把合金加热到半固态区，温度为600℃±5℃。1.以一定变形速率(0.1-10s-1)挤压，真实变形量ϵ=ln(HoHo-Ht)]]>大于2。
通过金相观察，证实合金形成了梯度材料，见图3。
实例3M2工具钢1.通过搅拌凝固，形成具有等轴状初晶的M2高速钢锭胚，成分见表3。2.把合金加热到半固态区，温度为1320℃±5℃。3.以一定变形速率(0.1-10s-1)挤压，真实变形量ϵ=ln(HoHo-Ht)]]>大于2。
表3 M2工具钢的成分
组织观察由于高速钢组织较复杂，难于确定组织的梯度，经测量了表面硬度和中心硬度的值，表明表面硬度值高于中心硬度值。
权利要求
1.一种组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法，其特征在于以共晶组织为耐磨相的合金为原料，制成具有等轴状初晶铸造组织的坯锭，把坯锭加热到介于固相线和液相线之间的半固态温度区域，以0.001～100s-1的速率将半固态合金挤压到预制模具中。
2.按照权利要求1所述组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法，其特征在于通过电磁搅拌铸造具有等轴状初晶铸造组织的坯锭。
3.按照权利要求1所述组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法，其特征在于合金体系为亚共晶体系。
4.按照权利要求3所述组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法，其特征在于所述合金为高铬铸铁。
5.按照权利要求4所述组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法，其特征在于所述加热温度为1220～1250℃，挤压速率为0.01～0.001s-1。
6.权利要求5所述所述组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法用于冷轧辊喷丸机喷丸叶片、烧结矿单辊破碎机齿冠的制造。
全文摘要
一种组织成梯度分布的耐磨金属工件的加工方法，其特征在于以共晶组织为耐磨相的合金为原料，制成具有等轴状初晶铸造组织的坯锭，把坯锭加热到介于固相线和液相线之间的半固态温度区域，以0.001～100s
文档编号B21C23/00GK1480269SQ0213285
公开日2004年3月10日 申请日期2002年9月3日 优先权日2002年9月3日
发明者杨昭, 张海峰, 王爱民, 丁炳哲, 胡壮麒, 杨 昭 申请人:中国科学院金属研究所