专利名称：一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种钢基颗粒增强抗磨件的制备方法，适用于各种形状尺寸的钢基颗粒增强抗磨件的制备。
背景技术：
在钢中添加高硬度的颗粒称为增强颗粒后形成的复合材料具有优异的抗磨性，将这种材料制成抗磨件，其使用寿命显著高于单一体抗磨材料。但是，增强颗粒的密度与钢液的密度差异较大，加之它们与钢液之间的润湿性不好，如何将增强颗粒均勻地掺入钢液中得到均勻分布的颗粒增强复合材料是一个难题。现有制备这种钢基颗粒增强抗磨件的方法有粉末冶金法、搅拌熔铸法、熔体浸渗法、喷射沉积法、高温自蔓延反应合成法、消失模铸渗法等。粉末冶金法可以用来制备高体积分数比钢基颗粒增强整体抗磨件，但是其需要以特制的粉末为原料，工艺过程复杂，所得抗磨件的致密度较低，而且成本过高，实际应用受到了限制。搅拌熔铸法包括机械搅拌熔铸、电磁感应熔铸、离心弥散熔铸等方法可以用来制备钢基颗粒增强抗磨件，并且因为其操作简单方便、成本低廉而得到广泛的使用，但增强相的体积分数受限制，一般在20%以上的时候增强相的分布就很难控制。此外，其对界面润湿性、高温化学稳定性、密度差要求较高，易产生吸气等铸造缺陷。熔体浸渗法包括压力浸渗法和无压浸渗法。它们都可以用来制备钢基颗粒增强表面抗磨件。但这种方法只能制备表面抗磨层，不能用来制备整体抗磨件，而且颗粒与基体间的界面结合强度较低，其耐磨性和使用寿命提高有限。喷射沉积法制备钢基颗粒增强抗磨件时流程短、效率高，可获得高致密的抗磨件和实现大规模工业生产。但该方法只能制备具有一定限度表面抗磨层，而且该工艺参数难于控制，成本过高，生产应用前景不容乐观。高温自蔓延反应合成法可制备钢基颗粒增强抗磨件，克服了增强颗粒在钢基中的不均勻分布问题和界面结合弱化问题，此外该工艺简单、成本低廉，与挤压铸造综合使用将能制备出优异耐磨性能的抗磨件。但该方法的增强颗粒尺寸和分布难以控制，常出现晶粒长大、组织不均勻等现象。消失模铸渗法制备钢基颗粒增强抗磨件，利用泡沫塑料作为载体模把增强颗粒混入钢基体中，在负压条件下成形，克服了增强颗粒在钢基体的分布问题。但该工艺比较复杂，在批量生产中受到极大的限制，而且出现缩松缩孔等铸造缺陷，增强颗粒与钢基界面结合强度较低等。
发明内容
本发明所要解决现有技术中制备钢基颗粒增强抗磨件存在的问题，包括成本过高、致密度低、增强颗粒分布不均勻、界面结合强度低问题。
本发明解决其技术问题的技术方案一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，包括如下步骤步骤一备料和预处理将载体材料和有机溶解剂按体积比10 1 25 1混合制成粘流态载体，或将载体材料直接加热至粘流态载体；对增强颗粒进行表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为5% 60%且经步骤一表面预处理的增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带增强颗粒的粘流态载体，将附带增强颗粒的粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体模腔中，附带增强颗粒的粘流态载体膨化或固化后， 脱去预制体模腔，形成附带增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将附带增强颗粒预制体放入金属模具腔内，将温度高于液相线温度30°C 100°C 的钢液浇入模具的压室中，至钢液的液面到达内浇口下沿，合模；步骤四加压充型对压室中的钢液施加IMI^a IOMPa的压力，使钢液流经内浇道与金属模具腔内的预制体接触，在钢液的热作用下预制体中的载体气化通过排气道逸出金属模具腔，预制体中的增强颗粒被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至IlMPa 200MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。步骤一中所述的载体材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚树脂、 硬质聚氨酯或石蜡；步骤一中所述的有机溶解剂为乙酸乙酯溶液或者丙酮溶液。步骤一、二中所述的增强颗粒包括碳化钛、碳化钨、碳化铬或硼化钛；平均粒径均为 IOnm 100 μ m。步骤四中所述的钢液包括含碳量为0. 3% 0. 6%的铸造碳钢、合金元素含量为 0. 5% 4%的铸造低合金钢或锰碳比为10 15的高锰钢。步骤一所述的对增强颗粒进行表面预处理包括镀镍或镀钴。本发明和已有技术相比所具有的有益效果本发明综合利用消失模铸造载体模和液态模锻成形技术，直接得到钢基颗粒增强复合材料抗磨件，工序简单，可实现批量生产，成本降低。在步骤四加压充型的过程中，加压充型目的在于确保压室内的钢液能够流入模具腔。附带增强颗粒预制体的载体遇钢液后，在钢液的高温作用下迅速气化，形成的气体通过模具的排气道排出模具腔，而附带增强颗粒预制体中的增强颗粒则不断被暴露出来，被不断填充的钢液所捕获。增强颗粒被捕捉进入钢液后在金属模具快速冷却作用下，钢液不断降温，粘度越来越大，进入钢液的增强颗粒上浮或下沉速度极小，有效避免了颗粒的积聚， 实现了增强颗粒在钢基体中的均勻分布。在步骤五增压成型的过程中，增压的作用有三个效果，一是可以防止钢液因流动性下降而不能充满模腔；二是可以实时补充钢液冷却凝固过程的收缩，得到致密的抗磨件；三是强化颗粒与钢液之间的界面接触，提高其界面结合力。
图1制作钢基颗粒增强复合材料抗磨件的模具。
具体实施例方式实施方式一一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，该制造方法包括如下步骤步骤一备料和预处理选取聚苯乙烯作为载体材料；乙酸乙酯溶液作为有机溶解剂；碳化钛作为增强颗粒，粒径为IOnm ；取体积比为10 1的聚苯乙烯和乙酸乙酯溶液混合制成粘流态载体；对碳化钛进行镀镍表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为5%且经步骤一表面预处理的碳化钛增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带碳化钛增强颗粒粘流态载体，将附带碳化钛增强颗粒粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体模腔中，附带增强颗粒的粘流态载体膨化后， 脱去预制体模腔，形成附带碳化钛增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将预制体放入金属模具腔2内，将温度为1550°C，锰碳比为10的高锰钢钢液浇入压室5中，至钢液的液面到达内浇口 6下沿，合模；步骤四加压充型对压室5中的钢液施加IMPa的压力，使钢液流经内浇道6与金属模具腔2内的预制体接触，在钢液的热作用下，预制体中的聚苯乙烯载体气化通过上模左腔排气道3、分型面排气道7和8、上模右腔排气道9逸出金属模具腔2，预制体中的碳化钛增强颗粒被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至llMPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。实施方式二一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，该制造方法包括如下步骤步骤一备料和预处理选取聚苯乙烯作为载体材料；乙酸乙酯溶液作为有机溶解剂；碳化钛作为增强颗粒，粒径为ΙΟμ ；取体积比为25 1的聚苯乙烯和乙酸乙酯溶液混合制成粘流态载体；
对碳化钛进行镀镍表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为25%且经步骤一表面预处理的碳化钛增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带增强颗粒粘流态载体，将附带碳化钛增强颗粒粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体模腔中，附带碳化钛增强颗粒的粘流态载体膨化后，脱去预制体模腔，形成附带碳化钛增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将预制体放入金属模具腔2内，将温度为1480°C，锰碳比为15的高锰钢钢液浇入压室5中，至钢液的液面到达内浇口 6下沿，合模；步骤四加压充型对压室5中的钢液施加5MPa的压力，使钢液流经内浇道6与金属模具腔2内的预制体接触，在钢液的热作用下，预制体中的聚苯乙烯载体气化通过上模左腔排气道3、分型面排气道7和8、上模右腔排气道9逸出金属模具腔2，预制体中的碳化钛增强颗粒被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至50MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。实施方式三一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，该制造方法包括如下步骤步骤一备料和预处理选取聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚树脂作为载体材料；丙酮溶液作为有机溶解剂；碳化钨作为增强颗粒，粒径为30μπι ；取体积比为10 1的聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚树脂和丙酮溶液混合制成粘流态载体；对碳化钨进行镀钴表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为15%且经步骤一表面预处理的碳化钨增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带碳化钨增强颗粒粘流态载体，将附带碳化钨增强颗粒粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体的模腔中，附带碳化钨增强颗粒的粘流态载体膨化后，脱去预制体模腔，形成附带碳化钨增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将预制体放入金属模具腔2内，将温度为1520°C，锰碳比为12的高锰钢钢液浇入压室5中，至钢液的液面到达内浇口 6下沿，合模；步骤四加压充型对压室5中的钢液施加3MPa的压力，使钢液流经内浇道6与金属模具腔2内的预制体接触，在钢液的热作用下，预制体中的聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚树脂载体气化通过上模左腔排气道3、分型面排气道7和8、上模右腔排气道9逸出金属模具腔2，预制体中的碳化钨增强颗粒被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至80MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。实施方式四—种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，该制造方法包括如下步骤
步骤一备料和预处理选取聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚树脂作为载体材料；丙酮溶液作为有机溶解剂；碳化钨作为增强颗粒，粒径为ΙΟΟμπι ；取体积比为15 1的聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚树脂和丙酮溶液混合制成粘流态载体；对碳化钨进行镀钴表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为60%且经步骤一表面预处理的增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带碳化钨增强颗粒粘流态载体，将附带碳化钨增强颗粒粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体的模腔中，附带碳化钨增强颗粒的粘流态载体膨化后，脱去预制体模腔，形成附带碳化钨增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将预制体放入金属模具腔2内，将温度为1600°C的含碳量0. 3%的铸造碳钢钢液浇入压室5中，至钢液的液面到达内浇口 6下沿，合模；步骤四加压充型对压室5中的钢液施加IOMPa的压力，使钢液流经内浇道6与金属模具腔2内的预制体接触，在钢液的热作用下，预制体中的聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚树脂载体气化通过上模左腔排气道3、分型面排气道7和8、上模右腔排气道9逸出金属模具腔2，预制体中的碳化钨增强颗粒被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至200MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。实施方式五一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，该制造方法包括如下步骤步骤一备料和预处理选取硬质聚氨酯作为载体材料；丙酮溶液作为有机溶解剂；碳化铬作为增强颗粒，粒径为80μ ；取体积比为20 1的硬质聚氨酯和丙酮溶液混合制成粘流态载体；对碳化铬进行镀钴表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为50%且经步骤一表面预处理的碳化铬增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带碳化铬增强颗粒粘流态载体，将附带碳化铬增强颗粒粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体的模腔中，附带碳化铬增强颗粒的粘流态载体膨化后，脱去预制体模腔，形成附带碳化铬增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将预制体放入金属模具腔2内，将温度为1530°C的含碳量0. 6%的铸造碳钢钢液浇入压室5中，至钢液的液面到达内浇口 6下沿，合模；步骤四加压充型对压室5中的钢液施加8MPa的压力，使钢液流经内浇道6与金属模具腔2内的预制体接触，在钢液的热作用下，预制体中的硬质聚氨酯载体气化通过上模左腔排气道3、分型面排气道7和8、上模右腔排气道9逸出金属模具腔2，预制体中的碳化铬增强颗粒被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至150MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。实施方式六一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，该制造方法包括如下步骤步骤一备料和预处理选取硬质聚氨酯作为载体材料；丙酮溶液作为有机溶解剂；碳化铬作为增强颗粒，粒径为50μ ；取体积比为15 1的硬质聚氨酯和丙酮溶液混合制成粘流态载体；对碳化铬进行镀钴表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为20%且经步骤一表面预处理的增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带碳化铬增强颗粒粘流态载体，将附带碳化铬增强颗粒粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体的模腔中，附带增强颗粒的粘流态载体膨化后，脱去预制体模腔，形成附带碳化铬增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将预制体放入金属模具腔2内，将温度为1570°C的含碳量0.5%的铸造碳钢钢液浇入压室5中，至钢液的液面到达内浇口 6下沿，合模；步骤四加压充型对压室5中的钢液施加SMPa的压力，使钢液流经内浇道6与金属模具腔2内的预制体接触，在钢液的热作用下，预制体中的硬质聚氨酯载体气化通过上模左腔排气道3、分型面排气道7和8、上模右腔排气道9逸出金属模具腔2，预制体中的碳化铬增强颗粒被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至180MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。实施方式七一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，该制造方法包括如下步骤步骤一备料和预处理选取石蜡作为载体材料，直接加热形成粘流态载体；硼化钛作为增强颗粒，粒径为 1 μ m ；对硼化钛进行镀镍表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为30%且经步骤一表面预处理的增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带硼化钛增强颗粒粘流态载体，将附带硼化钛增强颗粒粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体的模腔中，附带增强颗粒的粘流态载体固化后，脱去预制体模腔，形成附带硼化钛增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将预制体放入金属模具腔2内，将温度为1430°C，合金元素含量为0. 5%铸造低合金钢钢液浇入压室5中，至钢液的液面到达内浇口 6下沿，合模；步骤四加压充型对压室5中钢液施加2MPa的压力，使钢液流经内浇道6与金属模具腔2内的预制体接触，在钢液的热作用下，预制体中的石蜡气化通过上模左腔排气道3、分型面排气道7 和8、上模右腔排气道9逸出金属模具腔2，预制体中的硼化钛被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至25MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。实施方式八一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，该制造方法包括如下步骤步骤一备料和预处理选取石蜡作为载体材料，直接加热形成粘流态载体；碳化钛作为增强颗粒，粒径为 60 μ m ；对碳化钛进行镀钴表面预处理；步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为45%且经步骤一表面预处理的增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带碳化钛增强颗粒粘流态载体，将附带碳化钛增强颗粒粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体的模腔中，附带碳化钛增强颗粒的粘流态载体固化后，脱去预制体模腔，形成附带碳化钛增强颗粒预制体；步骤三浇注钢液将预制体放入金属模具腔2内，将温度为1500°C，合金元素含量为4%铸造低合金钢钢液浇入压室5中，至钢液的液面低于内浇口 6下沿，合模；步骤四加压充型对压室5中钢液施加5MPa的压力，使钢液流经内浇道6与金属模具腔2内的预制体接触，在钢液的热作用下，预制体中的石蜡气化通过上模左腔排气道3、分型面排气道 7和8、上模右腔排气道9逸出金属模具腔2，预制体中的碳化钛增强颗粒被均勻裹入钢液中；步骤五增压成形增大压力至30MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。实施方式九实施方式八与实施方式七的区别在于步骤三中浇注钢液温度为1480°C，合金元素含量为2%铸造低合金钢；步骤五中的增压到lOOMPa。其它步骤不变。一种制作钢基颗粒增强抗磨件的模具，该模具包括上模1、金属模腔2、上模左腔排气道3、压头4、压室5、内浇口 6、分型面排气道7和8、上模右腔排气道9、下模10。该模具中央设有压室，压室周围均勻布置形状尺寸与抗磨件相适应的一个或几个模具腔，压室上部开有与模具腔连通的内浇道。该模具按一般的设计规范便可实现。金属模腔2的形状和尺寸的设计随抗磨件的形状和尺寸要求变化，上模左腔排气道3、分型面排气道7和8、上模右腔排气道9均用于排放预制体载体气化产生的气体。预制体模腔的形状尺寸与抗磨件相适应，由金属材质制成，在预制体中的载体材料膨化或者固化后可拆除，供预制体载体预成形使用。
权利要求
1.一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，其特征是，包括如下步骤 步骤一备料和预处理将载体材料和有机溶解剂按体积比10 1 25 1混合制成粘流态载体，或将载体材料直接加热至粘流态载体；对增强颗粒进行表面预处理； 步骤二 制备预制体将占粘流态载体体积分数为5% 60%且经步骤一表面预处理的增强颗粒加入粘流态载体中，搅拌均勻，形成附带增强颗粒的粘流态载体，将附带增强颗粒的粘流态载体注入形状尺寸与抗磨件相等的预制体模腔中，附带增强颗粒的粘流态载体膨化或固化后，脱去预制体模腔，形成附带增强颗粒预制体； 步骤三浇注钢液将附带增强颗粒预制体放入金属模具腔O)内，将温度高于液相线温度30°C 100°C 的钢液浇入模具的压室(5)中，至钢液的液面到达内浇口(6)下沿，合模； 步骤四加压充型对压室(5)中的钢液施加IMI^a IOMI^a的压力，使钢液流经内浇道(6)与金属模具腔 (2)内的预制体接触，在钢液的热作用下预制体中的载体气化通过排气道逸出金属模具腔 O)，预制体中的增强颗粒被均勻裹入钢液中； 步骤五增压成形增大压力至IlMPa 200MPa，并保压至钢液完全凝固，开模取件，得到本发明钢基颗粒增强复合材料抗磨件。
2.根据权利要求1所述的一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，其特征是 步骤一中所述的载体材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚树脂、硬质聚氨酯或石蜡；
3.根据权利要求1所述的一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，其特征是 步骤一中所述的有机溶解剂为乙酸乙酯溶液或者丙酮溶液。
4.根据权利要求1所述的一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，其特征是 步骤一、二中所述的增强颗粒包括碳化钛、碳化钨、碳化铬或硼化钛；平均粒径均为IOnm 100 μ m。
5.根据权利要求1所述的一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，其特征是 步骤四中所述的钢液包括含碳量为0.3% 0.6%的铸造碳钢、合金元素含量为0. 5% 4%的铸造低合金钢或锰碳比为10 15的高锰钢。
6.根据权利要求1所述的一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制造方法，其特征是 步骤一所述的对增强颗粒进行表面预处理包括镀镍或镀钴。
全文摘要
本发明一种钢基颗粒增强复合材料抗磨件的制备方法，可以解决现有技术中制备钢基颗粒增强抗磨件存在的成本过高、致密度低、增强颗粒分布不均匀、界面结合强度低的问题。本发明包括如下步骤第一步，将载体材料制成粘流态载体；第二步，将经预处理后的增强颗粒均匀混入粘流态载体中，膨化或固化形成与抗磨件形状尺寸相适应的预制体；第三步，将预制体放入模具腔内，把钢液浇入压室；第四步，加压充型，在载体气化消失的同时将增强颗粒裹入钢液中；第五步，保压至钢液完全凝固，得到内部含有抗磨颗粒，外形与模具腔一致的抗磨件。本发明制备过程简单快捷，增强颗粒与钢之间结合牢固，内部组织细密，成本低，抗磨性好。
文档编号B22D18/02GK102240794SQ20111017835
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者宾仕博, 张若达, 邢书明, 鲍培玮 申请人:北京交通大学