专利名称：铁基表面复合材料挺杆及其制造方法
技术领域：
本发明属于金属基复合材料产品及其制造技术领域，是一种具有以陶瓷颗粒增强的铁基表面复合材料为工作面的挺杆及其制造方法。
挺杆是发动机进排气机构的关键零件，随着高速发动机转速和压力的提高，要求其应具有能在高压、高速和剧烈磨损工况下正常工作的特性，但现有的可淬硬型挺杆和激冷铸铁挺杆都不能满足要求。它们或缺少硬质增强相，或具有的硬质增强相硬度不高(仅为HV800)，而且形态差，容易产生剥落和点蚀，故这两种挺杆都易过度磨损，使发动机燃烧不完全从而出现功率下降，油耗增加以及环境污染加剧。
本发明的目的之一就是克服现有挺杆存在的缺陷，提供一种工作面具有铁基表面复合材料烧结层结构的挺杆。
目前制造这种具有铁基表面复合材料烧结层结构的挺杆的方法，只有本发明人在申请号为99114851.7中公开的“制备铁基复合材料的铸造烧结法”。该方法的工艺步骤有制造铸型、制造压坯、压坯固定、熔炼铁水、浇注和烧结。如果完全按照该方法的工艺步骤及条件来生产压坯中含有较多易熔组分的铁基表面复合材料挺杆，是可行的，但由于挺杆是薄壁铸件，其最大壁厚也小于12mm，因而铸造浇注时，铁水所能提供的热量不多，当涂覆层或压坯中含有较多的难熔组分时，在铸造过程中挺杆底部工作面的烧结致密化就难以完成，会出现黑皮、灰点、掉渣等缺陷。如果采用99114851.7中公开的补充烧结措施，其能耗大，完成周期长。另外该方法在制造压坯时所用的粘结剂为水基粘结剂，其中所含的水份蒸发较缓慢，即使经过长时间烘烤，也不易完全除去，会在压坯中形成孔洞，造成缺陷。
因而，本发明的目的之二是解决已有技术存在的问题，提供一种能保证在铸造过程中完成压坯烧结致密化，且又能耗低，周期短的方法。
本发明的目的之三是提供一种能解决因使用水基粘结剂所带来的问题的方法。
本发明的目的之一是由这样一种技术解决方案达到的该技术解决方案所展示的挺杆底部的工作表面为铁基表面复合材料层，以提供挺杆底部工作表面应具有高耐磨性和较好的耐热、耐蚀性；挺杆杆身为球墨铸铁或灰铸铁，以提供杆身应具有的强度、塑性和韧性；由于铁基表面复合材料层是通过铸造烧结而成的，故在杆身和铁基表面复合材料层之间还有扩散过渡层，以提供牢固的冶金结合。
其中，铁基表面复合材料层为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布WC、VC、TiC、(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一种或两种或两种以上的陶瓷增强相组合而成，厚度控制为1～4mm。该材料层是在制造过程中利用铁水的热量使位于挺杆铸型表面上的涂覆层或压坯发生烧结致密化，最终在挺杆底部的端面生成的。
扩散过渡层为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布网状铬的碳化物组合构成，厚度为0.5～1.5mm。
本发明的目的之二是通过在已有方法的工艺步骤的基础上，增加一步预烧结处理工序的技术解决方案达到的，即在压坯制造好后，先经过预烧结处理再固定在铸型表面上。预烧结温度为500～1400℃，并在此温度下保温10～120分钟。
本发明的目的之三则是通过采用溶剂挥发度较高的粘结剂这样一种技术方案来达到的。具体来说是在制造压坯时所用的粘结剂采用醇基有机粘结剂，其加入量为2～7％。由于其中所含的醇类溶剂易挥发，且点火即可烧去，故完全消除了采用水基粘结剂的弊病。不仅如此，对于有机粘结剂，如果压坯进行了预烧结还可使其完全分解碳化，这对于避免气孔是非常有利的。
为了提高粉料的流动性和润滑性，防止压坯产生溃散、裂纹、分层等缺陷，提高压坯强度，在制造压坯时还可加入0.1～1.5％的成型剂。该成型剂可选用硬脂酸锌、聚乙二醇、丁钠橡胶、石蜡中的一种或两种。
此外，由于本发明采用了预烧结工艺，使压坯在铸造过程中容易完成烧结致密化，因此铁水的浇注温度可选择比已有技术低的温度范围，即1400～1550℃，这对降低能耗，减少铁水氧化烧损，提高炉衬寿命都有好处。
本发明与已有技术相比，具有以下优点1．本发明提供的具有铁基表面复合材料层的挺杆，由于其工作表面含有大量高硬度的陶瓷增强相(硬度HV1800～3000)，并且其形态也很好，因此该挺杆既具有陶瓷材料的高耐磨性、耐热性，又保持了钢铁材料的高强度和高韧性，可做到外硬内韧，有十分优良的综合性能，可承受更高的载荷和更严酷的工作环境，特别适用现代高速发动机。
2．由于本发明提供的制造方法增加了预烧结工序，不仅能够保证含较多难熔组分的压坯在铸造过程中完成烧结致密化，完全消除了黑皮、灰点和掉渣等缺陷，而且还能使本发明方法在制造压坯时所采用的醇基有机粘结剂中的醇类溶剂迅速去除，有机粘结剂完全分解碳化，避免了气孔的产生。
3．由于本发明用醇基有机粘结剂替代了原用的水基粘结剂，故粘结剂中的溶剂易于除去，除去时间短，无能耗，且又不会造成烧结层中的孔洞。
4．由于本发明还提出可加入成型剂，故还可以提高粉料的流动性和润滑性，防止压坯产生溃散、裂纹或分层等缺陷，保证了铁基复合材料烧结层的质量。
5．由于本发明浇注温度可大大降低，不仅降低了能耗，减少铁水氧化烧损，而且还提高了炉衬的寿命。
图1为筒形铁基表面复合材料挺杆的主视结构示意图；图2为T形铁基表面复合材料挺杆的主视结构示意图。
下面结合附图给出本发明挺杆的实施例和制造挺杆方法的实施例，并对其进行详述。
实施例1如图1所示，本实施例的挺杆是由杆身1和底部工作表面2构成，挺杆杆身1为一端封闭的圆筒形，底部的工作表面位于杆身1封闭端的外端面，为铁基表面复合材料层2，是由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布WC、VC、TiC、(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一种或两种或两种以上的陶瓷增强相组合构成，厚度为1～4mm。挺杆杆身1为球墨铸铁或灰铸铁制成。由于铁基表面复合材料层2是经铸造烧结而成的，故在挺杆杆身1与铁基表面复合材料2之间还形成有扩散过渡层3。该扩散过渡层3为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布网状铬的碳化物组合构成，厚度为0.5～1.5mm。
实施例2如图2所示，本实施例的挺杆也是由杆身1和底部工作表面2构成。挺杆杆身1呈T形，底部工作表面2位于杆身1的T形端的外端面。该工作表面2、挺杆杆身1以及二者之间的扩散过渡层3的材料、厚度与实施例1相同，略。
实施例3～8(1)制造铸型用覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂按常规方法制造挺杆的铸型。
(2)制造压坯按表1所列实施例2～7的组合配比，将粒度≤50μm的各种粉料一起置于球磨机中，并加入粉料总重8～20％的无水乙醇；湿混8～48小时，转速60～200转/分。
其中各实施例所加的易熔合金粉各成分的配比对应见于表2。
将混匀的粉料取出烘干，加入粉料总重2～7％的醇基有机粘结剂，混匀后，装入金属模具在液压机上，以100～1000MPa的单位压力压制成厚度为1～4mm的压坯。另外还可在粉料中加入0.1～1.5％的成型剂。成型剂可为硬脂酸锌、聚乙二醇、丁钠橡胶、石蜡中的一种或两种。
(3)预烧结处理将压坯在真空烧结炉中进行预烧结处理，各实施例预烧结处理的温度和保温时间分别为实施例31300℃20～60分实施例41400℃10～60分实施例5 600℃40～80分实施例6 800℃30～70分实施例7 700℃40～80分实施例8 500℃ 50～120分(4)压坯固定将冷却后的压坯用粘结剂或钢丝固定在铸型表面。如果用粘结剂固定，粘结剂可为502胶水、PVA水溶液、水玻璃等中的任一种。
(5)熔炼铁水将相应炉料在感应电炉中按常规方法熔炼铁水，并进行相应的处理。
(6)浇注和烧结将高温铁水浇入铸型，浇注温度为1400～1550℃，并利用铁水热量完成压坯的烧结致密化，以在挺杆端面上形成铁基表面复合材料层。
实施例9～10本实施例制作压坯的成分按表1和2所列实施例9～10的组分配比，且制造工序除预烧结处理工序外，同前，略。不同的是本实施例的压坯都不经过预烧结处理，但都需要点火烧去压坯中的醇基溶剂。
实施例11本实施例的制造工序除无制造压坯、预烧结处理或不处理、压坯的固定工序外，其余同前，略。本实施例制作压坯的粉料配方同实施例9，并在粉料中加入占粉料总重6～8％的醇基有机粘结剂调成膏状，直接涂覆在铸型的相应表面，然后点火烧去涂覆层中的醇基溶剂即可。
本发明不局限于以上实施例。
表1 表2
权利要求
1．一种铁基表面复合材料挺杆，其特征在于挺杆杆身(1)为球墨铸铁或灰铸铁，挺杆(1)底部的工作表面为铁基表面复合材料层(2)，且在挺杆杆身(1)和铁基表面复合材料层(2)之间还有扩散过渡层(3)。
2．根据权利要求1所述的铁基表面复合材料挺杆，其特征在于挺杆铁基表面复合材料层(2)的厚度为1～4mm，扩散过渡层(3)的厚度为0.5～1.5mm。
3．根据权利要求1或2所述的铁基表面复合材料挺杆，其特征在于挺杆(1)铁基表面复合材料层(2)为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布WC、VC、TiC、(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一种或两种或两种以上的陶瓷增强相组合构成。
4．根据权利要求1或2所述的铁基表面复合材料挺杆，其特征在于挺杆(1)中的扩散过渡层(3)为由在铁的马氏体或马氏体+奥氏体或珠光体基体上均匀分布网状铬的碳化物组合构成。
5．一种制造铁基表面复合材料挺杆的方法，其工艺步骤有制造铸型、制造压坯、压坯固定、熔炼铁水、浇注和烧结，其特征在于压坯制造好后，需先经过预烧结处理再固定在铸型上，预烧结温度为500～1400℃，并在此温度下保温10～120分钟。
6．根据权利要求5所述的制造铁基表面复合材料挺杆的方法，其特征在于在制造压坯时所用的粘结剂为醇基有机粘结剂，其加入量为2～7％。
7．根据权利要求5或6所述的制造铁基表面复合材料挺杆的方法，其特征在于制造压坯时还加入了0.1～1.5％的成型剂。
8．根据权利要求7所述的制造铁基表面复合材料挺杆的方法，其特征在于所用的成型剂为硬脂酸锌、聚乙二醇、丁钠橡胶、石蜡中的一种或两种。
9．根据权利要求5或6或8所述的制造铁基表面复合材料挺杆的方法，其特征在于浇注温度为1400～1550℃。
全文摘要
本发明提供的具有铁基表面复合材料层的挺杆,其杆身为高强度灰铸铁或球墨铸铁,底部工作表面的铁基复合材料层为由在铁的基体上均匀分布的碳化物或氧化物陶瓷增强相组合构成,在二者之间还有在铸造烧结过程中形成的扩散过渡层。其制造方法是将相应的粉料制成压坯,并经预烧结处理后固定或直接将粉料涂覆在铸型表面,浇入高温铁水,烧结、冷却而成。该挺杆耐磨性高,综合性能好,且制造工序少,周期短,成本低。
文档编号B22D19/08GK1297798SQ0011318
公开日2001年6月6日 申请日期2000年9月14日 优先权日2000年9月14日
发明者王一三, 杨屹, 倪翔华, 戴红星, 冯可芹, 蒋玉明, 铁守荣, 高忠琴 申请人:四川大学, 仪征市金长江新材料技术有限公司