专利名称：外加颗粒增强大断面高体积分数Fe－C复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于金属复合材料的制备技术，主要涉及的是一种外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法。
背景技术：
金属基复合材料(MMCMetal Matrix Composites)作为21世纪的一种新材料，虽然仅有30多年的发展历史，但业已显示出强大的生命力。金属基复合材料与聚合物基复合材料相比具有以下特点高温强度好；高的横向强度；较好的导热性，线膨胀系数小、组织结构稳定性好；抗腐蚀；可焊接；并且能够局部强化，因此，金属基复合材料，特别是陶瓷颗粒增强金属基复合材料(PMMC)更具有吸引力。工业上许多部件是由高硬度耐磨表面材料和强韧的芯部材料组成的复合结构。尤其是那些工作表面经受间歇腐蚀作用的旋转部件，例如，轧辊(环)，滚动导卫等部件。WC作为一种超硬材料，具有很好的耐磨性，可作为工作表面，芯部用强韧性良好的钢铁材料，以抵抗外加载荷的冲击。许多技术已提供了由WC材料覆盖表面的机器部件。金属基复合材料研究多以铝、镁、锌、铜等有色金属基复合材料为多，而对传统的钢铁材料由于其熔点高，比重大，比强度小，制造工艺复杂等，使铁基复合材料的研究受到限制，随着工业的迅速发展，对材料的性能价格比要求越来越高，高温高速磨损条件下工作的零件向钢铁材料提出更高的要求。大断面颗粒增强Fe-C复合材料是将陶瓷颗粒加入到Fe-C合金基体中以提高其弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能，使其应用于象轧辊(环)在高温、高速、耐磨环境中工作的部件。
轧辊(辊环)通常采用复合材料结构，例如，高Cr铸铁(钢)或高Ci-Ni无限冷硬铸铁的工作表面层和高强韧的芯部。但是，这种复合结构轧辊(辊环)的高温耐磨性，不能满足线、棒材轧机高速化要求。国外八十年代末，国内九十年代初，采用碳化钨颗粒(WC)和钴(Co)粉末冶金的高速线材轧机辊环，原材料和加工成本相当高，价格昂贵(500元左右/公斤)，材料利用率极低(小于30％)，不能再循环利用；同时，不适合于生产大型和中间工作长度大的轧辊(辊环)。九十年代中期，瑞典山特维克公司采用OSPREY法喷射沉积(spraydeposition)制造高碳(3％)高速钢(6％Co，8％V，6％Cr，4％Mo，7％W)的棒材精轧机辊环(外径345mm，内径180mm，硬度HRC60)，其价格昂贵，例如，Co价格是W的10倍，我国Cr、Mo、V资源较为缺乏，且这种工艺复杂，不利于大批量生产。九十年代初，日本采用热等静压HIP(hot isostaicpressing)法制造线材精轧机高碳(2.5％)高速钢(10％Co，8％V，4％Cr，4.7％Mo，13.7％W)粉末冶金轧辊。九十年代末，我国钢铁研究总院也研究用热等静压(HIP)法制造高碳高速钢粉末冶金复合轧辊。但是，HIP法只适用于小型轧辊，生产成本更高，设备昂贵，制造工艺复杂。国内刘耀辉等人研究，以及许大庆等人研究，均为表面铸渗薄层(3-5mm)WCp/Fe-C复合材料，不能满足高速线材辊环多次重复修正磨辊。国内王恩泽等人研究喷射法制造WCp/Fe-C复合材料，芯部仍为复合材料，制备工艺复杂，制造成本高，不能再循环利用。
发明内容
本发明的目的即是提出一种外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，本发明所提出的制备方法为将加热熔化的Fe-C基体合金与预热的增强颗粒同时加入绕水平轴高速旋转的金属铸型中，高温Fe-C基体合金液与预热的增强颗粒在离心场中混合后形成环形混合体，利用增强颗粒与Fe-C合金液之间的密度差，使增强颗粒沿环形径向向外或向内迁移，形成增强颗粒/Fe-C复合材料的外层或内层和Fe-C合金基体的复合结构部件。
为获得高体积分数的复合材料层，金属铸型的离心力转速大于1200rpm，Fe-C基体合金浇注温度大于1400℃。
本发明所述的增强颗粒混合前在保护气氛下预热到300℃以上，以减小增强颗粒的急冷作用，保证增强颗粒的充分迁移和与基体合金的冶金结合。
金属铸型的内壁具有保温层，在制备过程中可有效阻止热量从铸型中散失，降低熔融基体合金的冷却速度，有利于增强颗粒的迁移和与基体合金的结合。
本发明提出的制备方法可制备出断面大于20mm，体积分数50-85％的高耐磨增强颗粒/Fe-C复合材料工作层和Fe-C合金基体组成的复合材料环形部件，制备的部件无铸造、裂纹缺陷。
本发明方法可用于制备高温高速工况下耐磨部件，如高速线、棒材轧机轧辊(环)，高速滚动导卫等部件。本发明与其它制备方法相比，具有以下优点1、复合材料层的厚度可以根据使用要求任意控制。
2、复合材料层中增强颗粒分布均匀，体积分数可根据性能要求控制在50-85vol％。
3、基体合金及其组织可以设计。
4、复合材料工作层材料利用率高(大于95％)，基体合金可再循环利用。
5、生产工艺简单，制备成本低。
附图1为本发明复合材料环形部件制备装置结构示意图。
附图2为所制备环形部件的径向切片图。
附图3为所制备部件复合材料层内WCp分布图。
图中，1、电机，2、变速器，3、金属铸型，4、保温层，5、Fe-C基体合金熔融体和增强颗粒混合物，6、增强颗粒引入装置，7、基体合金引入浇道，8、浇包。
具体实施例方式
结合附图，给出本发明实施例本发明实施例给出WCp/Fe-C复合材料外层和芯部Fe-C合金基体组成的复合结构环形部件的制备制备过程中将中频炉熔化的Fe-C基体合金，其成分范围为2.5～3.5％C，1.0～2.0％Si，＜0.8％Mn，1.0～1.6％Cr，3～4％Ni，0.2～0.5％Mo，S.P≤0.08，0.005～0.008％RE，余量为铁，在1500℃出炉后，同预热的尺寸为100～200μm的增强颗粒同时加入绕水平轴高速旋转的圆柱形金属铸型3中，转速为1400rpm。该实施例的增强颗粒为碳化钨颗粒WCp，金属铸型具有保温层4，金属铸型3由电机1通过变速器2带动高速旋转，经浇包8浇入的高温Fe-C基体合金液通过基体合金引入浇道7，同增强颗粒引入装置6分配的预热WC颗粒在离心场中混合后形成环形混合体5，其中，基体合金引入浇道7前端伸入金属铸型内，其伸入部分具有使Fe-C基体合金液流出的侧向开口槽，基体合金液沿侧向开口槽流入金属铸型内；增强颗粒引入装置主要包括可调节流量的管道和前端的颗粒分配器，增强颗粒由管道引入颗粒分配器内，颗粒分配器的前端伸入到金属铸型内，其前端的下部具有多个分配孔，以使增强颗粒与Fe-C合金液在旋转的铸型中均匀混合后撒布在具有保温层的金属铸型内，在离心场中形成环形混合体5，WC颗粒由于密度(17.6g/cm3)大于Fe-C合金液密度(7.1g/cm3)而沿环形径向向外层迁移，形成WCp/Fe-C复合材料外层和芯部Fe-C合金基体的复合结构环形部件。
实施例2其制备方法同实施例1，增强颗粒采用碳化钛(TiC)颗粒，TiC颗粒与Fe-C合金液均匀混合后，在离心场中形成环形混合体5，TiC颗粒由于其密度(4.93g/cm3)小于Fe-C合金液密度(7.1g/cm3)而沿环形径向向内层迁移，形成TiCp/Fe-C复合材料内层和外层Fe-C合金基体的复合结构环形部件。
如图2所示，制备的复合结构环形部件径向切片分析，WCp/Fe-C复合材料层厚度大于20mm，复合材料层厚度可通过控制增强颗粒加入量加以控制，复合材料层内WCp体积分数大于70％，WCp体积分数可通过离心机转速控制在70-85％。
本发明制备方法中，其增强颗粒可为陶瓷材料颗粒、金属颗粒，如WCp、TiC、VC、SiC、Al2O3、铬铁粉、钨铁粉、钛铁粉、铌铁粉等。
金属铸型中其保温层4为砂型保温层，其厚度一般为20-40mm。
权利要求
1.一种外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，其特征是将加热熔化的Fe-C基体合金与预热的增强颗粒同时加入绕水平轴高速旋转的金属铸型中，高温Fe-C基体合金液与预热的增强颗粒在离心场中混合后形成环形混合体，利用增强颗粒与Fe-C合金液之间的密度差，使增强颗粒沿环形径向向外或向内迁移，形成增强颗粒/Fe-C复合材料的外层或内层和Fe-C合金基体的复合结构部件。
2.根据权利要求1所述的外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，其特征是金属铸型(3)的离心力转速大于1200rpm。
3.根据权利要求1所述的外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，其特征是所述的Fe-C基体合金的浇注温度大于1400℃。
4.根据权利要求1所述的外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，其特征是所述的增强颗粒混合前在保护气氛下预热到300℃以上。
5.根据权利要求1所述的外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，其特征是所述的增强颗粒为陶瓷材料。
6.根据权利要求1或5所述的外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，其特征是所述的增强颗粒为WC颗粒、TiC颗粒、VC颗粒、SiC颗粒、Al2O3颗粒。
7.根据权利要求1所述的外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，其特征是所述的增强颗粒为金属材料。
8.根据权利要求1或7所述的外加颗粒增强大断面高体积分数Fe-C复合材料的制备方法，其特征是所述的增强颗粒为铬铁粉、钨铁粉、钛铁粉、铌铁粉。
全文摘要
本发明提出的外加颗粒增强大断面高体积分数Fe－C复合材料的制备方法，将加热熔化的Fe－C基体合金与预热的增强颗粒同时加入绕水平轴高速旋转的金属铸型中，高温Fe－C基体合金液与预热的增强颗粒在离心场中混合后形成环形混合体，利用增强颗粒与Fe－C合金液之间的密度差，使增强颗粒沿环形径向向外或向内迁移，形成增强颗粒/Fe－C复合材料的外层或内层和Fe－C合金基体的复合结构部件。本发明具有以下优点复合材料层的厚度可以根据使用要求任意控制；复合材料层中增强颗粒分布均匀，体积分数可根据性能要求控制在50－85vol％；基体合金及其组织可以设计；复合材料工作层利用率高，基体合金可再循环利用；生产工艺简单，制备成本低。
文档编号B22D13/00GK1698996SQ20041001029
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月21日 优先权日2004年5月21日
发明者宋延沛, 董企铭, 毛协民, 李秉哲 申请人:河南科技大学