专利名称：一种高耐磨铁基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铁基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种高耐磨铁基复合材料及其制备方法。
背景技术：
高铬铸铁具有很高的硬度和一定的韧性，在矿山、冶金、建材和化工等行业中得到广泛应用。研究人员在提高高铬铸铁的力学性能和耐磨性以及扩大其应用方面做了许多工作，并获得了较好的效果。然而，高铬铸铁在磨煤机衬板等产品上应用时还存在磨损速度快、更换周期短等不足。开发高耐磨铁基表面复合材料是弥补上述不足的重要途径之一。 铁基表面复合材料，通常是用表面铸渗复合技术，在普通碳钢、灰铸铁或球墨铸铁件表面生成3 10毫米厚的复合材料耐磨层，在保持整个铸件成份和组织不变的条件下，在需要特殊耐磨的部位或局部表面生成一定厚度的特别耐磨的复合层。铸件不仅保持了较高的强度和韧性，而且能满足特殊的耐磨要求，其耐磨性可达远超过高铬铸铁。表面铸渗复合技术，按有无压力可以分为压力浸渗和无压-负压浸渗，包括压力铸渗、活化铸渗、普通砂型铸渗法、离心铸渗、负压铸渗等。压力浸渗类似于挤压铸造，在机械压力下挤压铸造，或利用高压气体作用于中低温(900°C以下)金属熔液上；无压/负压浸渗利用毛细管力的作用，使金属熔液在陶瓷预制体中自发地攀升，占据孔洞的空间，并与陶瓷的界面牢固结合，这就要求金属与陶瓷之间是完全润湿的，而铁合金熔液一般与陶瓷的润湿性差，因此，仅利用无压/负压浸渗通常不适用于制备陶瓷/铁合金复合材料。活化浸渗通过在陶瓷体中加入活化元素如Ti和Cr等，利用活性元素改善陶瓷与金属熔液之间的润湿性。这样，在活性元素的作用下，金属熔液浸渗能够在毛细管力的作用下进行。此工艺形式灵活，比较容易控制复合材料中陶瓷体的体积分数、陶瓷体结构和空间分布等，可以制备复杂形状的复合材料，但不利之处是此工艺经济性稍差。比较上述制备方法，若要得到陶瓷/铁基合金复合材料，在改善铁合金与陶瓷之间的润湿性的前提下，采用无压-负压活化浸渗工艺是可行的方法，但并不是最佳的工艺，因此需要进一步的研究。普通砂型铸渗法的工艺过程为将配置好的合金粉末与粘结剂、熔剂配制成膏状并涂覆在型腔表面的需要部位上，待铸型干燥后浇注。由于普通砂型铸渗法需要在型腔内壁上涂挂合金化涂料或粘附合金粉制成的膏块，而膏块存在制作工艺复杂、安放固定困难和位置局限性大等问题，因此操作极不方便。该方法存在的突出问题一是气孔和夹渣难以去除，气孔和夹渣主要来源于粘结剂和熔剂受热气化和渣化，以及粉末涂层或压坯本身空隙所带气体和粉末吸附的气体；另外一个问题是对于增强颗粒与基体润湿性能较差的铸渗复合层的制备显得无能为力，这就需要采取改善颗粒与基体间的润湿性或施加外力以迫使金属液向粉末层渗透。除以上不足之处外，普通砂型铸渗法还存在合金化层厚度小、成本高等缺点。这些问题的存在使得该工艺多被用于小批量的工艺试验，而难以实现大规模的工业化生产。
发明内容
本发明为了解决以上问题提供了一种有利于高铬铸铁铁水浸渗、工艺实施简便、 复合层厚度可调、提高耐磨损性能的高耐磨铁基复合材料的制备方法。本发明还提供了一种所述方法制备的高耐磨铁基复合材料。本发明的技术方案是包括如下步骤
1)选用粒径为2.0-4. Omm的大尺寸电熔锆刚玉颗粒，所述颗粒的化学成分重量比为 2H8wt%AU9-33wt%Zr，其余为 0，颗粒的硬度为 HRC70-75 ；
2)将上述电熔锆刚玉颗粒与2.5-3. 5wt%的水玻璃一起混合，边混合边加入0. 5-lwt% 的Ti粉、1-1. 5wt%的硼砂；混合均勻后在模具中成型，经150-250°C烘干40-50min，脱模后采用托板在790-810°C下烧结30min，制得锆刚玉颗粒陶瓷块，随即出炉冷却待用；
3)将上述所得的锆刚玉颗粒陶瓷块放置在树脂砂型型腔的顶部进行铸渗工艺，陶瓷块上部的砂型中留有一个小集渣冒口，铁水浇注温度提高到高铬铸铁通常砂型铸造温度以上 150-200°C，即1M0-1590°C，浇注后在砂型内冷却Mh，开箱取件。4)将上述所得的锆刚玉颗粒增强铁基复合材料进行热处理，其工艺为 10500C X4h—空淬一250°C X4h—空冷。所述的高铬铸铁，是含C量为3. 1-3. 6 wt %、含Cr量为20_25wt %的耐磨铸铁，热处理后的硬度为HRC55-60。所述的锆刚玉颗粒陶瓷块上留有平均直径9-12mm的六角形铁水流动通道，以保证铁水流动保证铁水在陶瓷块每一部分实际需要渗入的深度不大于5mm。所述的小集渣冒口是在陶瓷块上部的砂型中留出可以容纳锆刚玉颗粒陶瓷块体积1/4-1/3的铁水的暗冒口，且有顺畅的排气通道。本发明提出采用大尺寸电熔锆刚玉颗粒制成强相预制块，然后通过铸渗工艺制备锆刚玉颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料，其原理是锆刚玉质地坚韧，结构致密，强度高， 热震性好，硬度(莫氏)> 9. 0，仅次于钻石，最高使用温度达1900°C。同时，锆刚玉耐熔体侵蚀性好，具有很好的自锐性，以大尺寸电熔锆刚玉颗粒作为增强颗粒，不仅具有电熔锆刚玉的自锐性以及硬度高、韧性好的特点，而且有利于高铬铸铁铁水的浸渗，铸造工艺容易实现；同时，高铬铸铁基体合金中铬的存在，可以有效改善铁水与锆刚玉颗粒之间润湿性，并由于其相对较高的耐磨性，可以避免基体磨损过快，保证基体对锆刚玉颗粒的有效支撑。本发明方法具有如下优点
1、工艺简便，通过普通铸造方法即可实现，且复合层厚度可在较大范围内调节；
2、可以有效避免复合材料生产过程中的气孔和夹渣；
3、生产过程易于实现机械化，生产成本低，生产效率高。
具体实施例方式在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。实施例1选用经电熔、浇铸、破碎、筛分等工艺生产的粒径为2. Omm的电熔锆刚玉颗粒，其化学成分重量比为21wt%Al、33wt%Zr，其余为0，颗粒的硬度约为HRC75 ；高铬铸铁的含C量为 3. Iwt %，含Cr量为25wt%，热处理后的硬度可达HRC60。以所选用的2. Omm的电熔锆刚玉颗粒，与3. 5wt%的水玻璃一起混合，边混合边加入lwt%的Ti粉、1. 5wt%的硼砂；混合均勻后在模具中成型，经150°C烘干50min，脱模后采用托板于810°C烧结30min，制得锆刚玉颗粒陶瓷块，随即出炉冷却待用。陶瓷块上留出平均直径12mm的六角形铁水流动通道，相邻六角形之间的陶瓷颗粒层厚6mm，以保证铁水流动。将陶瓷块放置在树脂砂型型腔的顶部，且在陶瓷块上部的砂型中留出可以容纳锆刚玉颗粒陶瓷块体积1/3的铁水的暗冒口和顺畅的排气通道，铁水浇注温度提高到1590°C，浇注后在砂型内冷却Mh，开箱取件，对铸造出的锆刚玉颗粒增强铁基复合材料进行热处理， 其工艺为1050°C X4h—空淬一250°C X4h—空冷。经采用砂轮对热处理后的高铬铸铁与热处理后的铁基复合材料进行磨损性能对比，发现在相同压力(MKg)下30min磨损，铁基复合材料的体积磨损量仅为高铬铸铁的 25%。本实施方式为最佳实施方式。实施例2
选用经电熔、浇铸、破碎、筛分等工艺生产的粒径为2. 5mm的电熔锆刚玉颗粒，其化学成分重量比为2#t%Al、31wt%Zr，其余为0，颗粒的硬度约为HRC73 ；高铬铸铁的含C量为 3. 6wt %，含Cr量为20wt%，热处理后的硬度可达HRC55。以所选用的2. 5mm的电熔锆刚玉颗粒，与3. 0wt%的水玻璃一起混合，边混合边加入0. 7wt%的Ti粉、1. 2wt%的硼砂；混合均勻后在模具中成型，经2000°C烘干45min，脱模后采用托板于800°C烧结30min，制得锆刚玉颗粒陶瓷块，随即出炉冷却待用。陶瓷块上留出平均直径Ilmm的圆形铁水流动通道，相邻圆形通道之间的陶瓷颗粒层厚7mm，以保证铁水流动。将陶瓷块放置在树脂砂型型腔的顶部，且在陶瓷块上部的砂型中留出可以容纳锆刚玉颗粒陶瓷块体积1/4的铁水的暗冒口和顺畅的排气通道。铁水浇注温度提高到1560°C， 浇注后在砂型内冷却Mh，开箱取件，对铸造出的锆刚玉颗粒增强铁基复合材料进行热处理，其工艺为1050°C X4h—空淬一250°C X4h—空冷。经采用砂轮对热处理后的高铬铸铁与热处理后的铁基复合材料进行磨损性能对比，发现在相同压力(MKg)下30min磨损，铁基复合材料的体积磨损量仅为高铬铸铁的 30%。实施例3
选用经电熔、浇铸、破碎、筛分等工艺生产的粒径为4. Omm的电熔锆刚玉颗粒，其化学成分重量比为J8wt%Al、29wt%Zr，其余为0，颗粒的硬度约为HRC70 ；高铬铸铁的含C量为 3. 3wt %，含Cr量为23wt%，热处理后的硬度可达HRC60。以所选用的4. Omm的电熔锆刚玉颗粒，与2. 5wt%的水玻璃一起混合，边混合边加入0. 5wt%的Ti粉、1. 0wt%的硼砂；混合均勻后在模具中成型，经250°C烘干40min，脱模后采用托板于790°C烧结30min，制得锆刚玉颗粒陶瓷块，随即出炉冷却待用。陶瓷块上留出平均直径9mm的六角形铁水流动通道，相邻六角形通道之间的陶瓷颗粒层厚8mm，以保证铁水流动。将陶瓷块放置在树脂砂型型腔的顶部，且在陶瓷块上部的砂型中留出可以容纳锆刚玉颗粒陶瓷块体积1/3的铁水的暗冒口和顺畅的排气通道。铁水浇注温度提高到1540°C，浇注后在砂型内冷却Mh，开箱取件。对铸造出的锆刚玉颗粒增强铁基复合材料进行热处理，其工艺为1050°C X4h—空淬一250°C X4h—空冷。 经采用砂轮对热处理后的高铬铸铁与热处理后的铁基复合材料进行磨损性能对比，发现在相同压力(MKg)下30min磨损，铁基复合材料的体积磨损量仅为高铬铸铁的 28%。
权利要求
1.一种高耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤1)选用粒径为2.0-4. Omm的大尺寸电熔锆刚玉颗粒，所述颗粒的化学成分重量比为 2H8wt%AU9-33wt%Zr，其余为 0，颗粒的硬度为 HRC70-75 ；2)将上述电熔锆刚玉颗粒与2.5-3. 5wt%的水玻璃一起混合，边混合边加入0. 5-lwt% 的Ti粉、1-1. 5wt%的硼砂；混合均勻后在模具中成型，经150-250°C烘干40-50min，脱模后采用托板在790-810°C下烧结30min，制得锆刚玉颗粒陶瓷块，随即出炉冷却待用；3)将上述所得的锆刚玉颗粒陶瓷块放置在树脂砂型型腔的顶部进行铸渗工艺，陶瓷块上部的砂型中留有一个小集渣冒口，铁水浇注温度提高到高铬铸铁通常砂型铸造温度以上 150-200°C，S卩1M0-1590°C，浇注后在砂型内冷却Mh，开箱取件；4)将上述所得的锆刚玉颗粒增强铁基复合材料进行热处理，其工艺为1050°CX4h-空淬一250°C X4h—空冷。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于所述的高铬铸铁，是含C量为3. 1-3.6 wt %、含Cr量为20-25wt %的耐磨铸铁，热处理后的硬度为 HRC55-60。
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于所述的锆刚玉颗粒陶瓷块上留有平均直径9-12mm的六角形铁水流动通道，以保证铁水流动保证铁水在陶瓷块每一部分实际需要渗入的深度不大于5mm。
4.根据权利要求1所述的一种高耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于所述的小集渣冒口是在陶瓷块上部的砂型中留出可以容纳锆刚玉颗粒陶瓷块体积1/4-1/3的铁水的暗冒口，且有顺畅的排气通道。
全文摘要
本发明涉及一种高耐磨铁基复合材料及其制备方法。包括如下步骤1)选用大尺寸电熔锆刚玉颗粒；2)将上述电熔锆刚玉颗粒制得锆刚玉颗粒陶瓷块，冷却待用；3)将上述所得的锆刚玉颗粒陶瓷块放置在树脂砂型型腔的顶部进行铸渗工艺，开箱取件；4)将上述所得的锆刚玉颗粒增强铁基复合材料进行热处理。本发明方法具有如下优点1、工艺简便，通过普通铸造方法即可实现，且复合层厚度可在较大范围内调节；2、可以有效避免复合材料生产过程中的气孔和夹渣；3、生产过程易于实现机械化，生产成本低，生产效率高。
文档编号B22D19/14GK102310183SQ20111026183
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者何凌云, 余兵, 倪玉宇, 刘伟军, 吴群, 唐涛, 张真华, 杨万胜, 管志锋, 陈刚 申请人:扬州电力设备修造厂, 江苏大学