专利名称：一种通过铸渗法制备表层复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及铸渗法制备复合层基体含钴的颗粒增强表层金属基表面复合材料的成型工艺方法，属于耐磨抗磨材料制备技术领域。
背景技术：
零件的失效，大都是磨损造成的，而磨损大多发生在产生摩擦行为的表面。在现代工业中的煤炭、冶金、矿山、电力、建材、耐火材料、能源等工业行业，对于零部件的抗磨损性能提出了更高的要求，普通的单一材料越来越难以满足客观形势的需要。复合材料将多种材料的优点集于一身，扬长避短，兼有高强度、高模量和轻比重等一系列优点。针对表面磨损问题开发的表层复合材料，相较整体复合材料能够降低成本，具有极其重要的现实价值。作为决定复合材料性能的关键，陶瓷颗粒与基体间的结合效果的提升是表层复合材料的研究关键。作为被广泛应用的硬质合金，碳化钨/钴硬质合金由于其两种组元间的出色结合效果而被广泛应用与制作各种切削工具和耐磨耐腐蚀零件，这是因为碳化钨与钴制成的硬质合金中碳化钨与钴两者的界面是共格界面，能获得良好的结合效果。目前，以碳化钨/钴作为增强体的材料的成型方法主要有热喷涂、激光熔覆和粉末烧结等技术，关于这些技术应用于碳化钨/钴作为增强体的材料的研究已取得了很多具有实际价值的研究成果，但关于铸渗法制备此类复合材料的工艺研究还鲜有报道。铸渗法制备表层增强复合材料，其工艺是将合金粉末或陶瓷颗粒等预先固定在型壁的特定位置上，然后通过浇注使铸件表面具有特殊的组织和性能，该工艺是一种表面处理与成型相结合的工艺。该方法简单易行，无需专门的处理设备，表面处理层具有一定厚度，生产周期短，零件不变形，具有其它工艺方法无法比拟的优点，是提高铸件表面耐磨、耐蚀、耐高温等性能的有效途径。使用铸渗发制备的复合层量的厚度在3mm以上大大高于激光熔覆Imm的复合厚度，复合层与基材良好的冶金结合克服了热喷涂增强涂层和基材结合较差的弱点，而粉末烧结难以应用于表面增强，这些比较都说明了铸渗法碳化钨/钴作为增强体的表层复合材料的独特优势。且相较于其它以碳化钨/钴作为增强体的成型工艺， 其经济价值显而易见，有着巨大的实际应用前景。
发明内容
本发明的目的通过铸渗法制备表层复合材料的方法，提供一种相较于目前制备以碳化钨和钴作为增强体的材料的工艺方法更具可操作性、经济型以及工业适用性的工艺方法。本发明的技术方案以碳化钨颗粒和钴粉混合制成预置体，将预置体置于零件模型的需抗磨位置，完成造型后用金属经行浇铸，实现铸渗复合，获得以碳化钨和钴作为增强体的表层复合材料。其具体步骤包括如下
(1)、EPS (可发性聚苯乙烯的英文简写)模型成型在泡沫上划线标记切割路径，由于切割时泡沫气化，因此在划线时需留有1. 0 1. 5mm的余量，然后使用温度加热至200 4000C的电阻丝对EPS泡沫进行切割，切割完毕后得到EPS模型；
(2)、预置块的制备及涂装将粒度为40 60目的碳化钨颗粒和粒度为200 400目的钴粉按体积比18 19 1 2混合，然后添加PVA水溶液作为粘结剂，混合形成增强颗粒料将混合后的增强颗粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在40 60°C 温度下加热硬化0. 5 lh，以形成预置层，其中，碳化钨颗粒作为增强颗粒，钴粉用于加强复合层基体与碳化钨颗粒的结合；
(3)、浇注系统模型的粘结用市售白乳胶粘接步骤(1)中制得的EPS模型，在40 60°C温度下加热干燥1 1.证，之后在EPS模型表面和预置层表面涂上一层厚度为1 2mm 的消失模铸造涂料，在40 60°C温度下烘干2 池，得到浇注系统模型；
(4)、造型将步骤(3)的浇注系统模型置于对应的普通钢制模箱中，用粒度为40 60 目的干石英砂覆盖，在振动频率为四00 3000次/分钟，振动时间为20 30秒条件下振动砂箱，使之具有所需透气性和紧实度，用透明塑料布将砂箱上表面封严，得到具有气密性的模箱；
(5)、真空实型铸渗将模箱内的真空度调整在0.06 0. 07MPa的负压下，然后将金属基材液在温度为1580 1600°C浇入模箱，通过真空产生的吸力和金属液对碳化钨颗粒的润湿，使金属液被吸进包含碳化钨颗粒的预置体中，待模箱自然冷却后，即得碳化钨颗粒增强金属基复合材料。所述步骤(1)中电阻丝的直径彡1mm。所述步骤(1)的汽化模样EPS的成型，还可用下列方法根据所需零件结构制作对应的模具，按模具体积的1/8 1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用现有技术中的发泡方法直接制备汽化模样。所述步骤(2)中的粘接剂为浓度为6wt%的PVA (PVA是聚乙烯醇的英文简称)水溶液，加入量为预置块总量的3 6 vt%。所述步骤(3)中消失模铸造涂料为中消失模铸造涂料为XYSS-106型消失模铸造涂料。所述步骤(3)的增强颗粒的压制，通过保持预制块形状尺寸不变而调节增强颗粒料混合物的总量来控制颗粒的紧实度。所述步骤(4)的砂箱振动，其振动方向为一维水平振动。所述步骤(5)的真空实型铸渗中，金属基材选择为高铬钢，其成分百分比wt. %为 C :1. 0 1. 2 Wt. %，Si :1. 5 1. 8 wt. %，Mn :0. 3 0. 5 wt. %，P 彡 0. 06 wt. %，S 彡 0. 06 wt.%，余量为Fe。
本发明具有以下优点和积极效果
1、作为决定复合材料性能的关键，陶瓷颗粒与基体间的结合效果的提升是表层复合材料的研究关键。碳化钨与钴制成的硬质合金两者的的界面是共格界面，能获得良好的结合效果，从而很好的提高材料的整体性能。 2、使用铸渗发制备的复合层量的厚度在3mm以上大大高于激光熔覆Imm的复合厚度，复合层与基材良好的冶金结合克服了热喷涂增强涂层和基材结合较差的弱点，而粉末烧结难以应用于表面增强，这些比较都说明了铸渗法碳化钨/钴作为增强体的表层复合材料的独特优势。3、本发明的复合制备工艺可控性强、成本低廉、生产质量稳定，便于工业化大规模生产。
图1为实施例1中预置层添加钴粉的碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料金相试样。图2为实施例1中预置层添加钴粉的碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料界面处组
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具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。实施例1
(1)、EPS模型成型在泡沫上划线标记切割路径，在划线时需留有1.0mm的余量，然后使用温度加热至300°C的直径为Imm电阻丝对EPS泡沫进行切割，切割完毕后得到EPS模型；
(2)、预置块的制备及涂装将粒度为40目的碳化钨颗粒和粒度为300目的钴粉按体积比18:1混合，然后浓度为6wt%的PVA水溶液最为粘接剂，加入量为预置块总量的3 vt%, 混合形成增强颗粒料将混合后的增强颗粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在40°C温度下加热硬化0. 5h，以形成预置层；
(3)、浇注系统模型的粘结用市售白乳胶粘接步骤(1)中制得的EPS模型，在50°C温度下加热干燥lh，之后在EPS模型表面和预置层表面涂上一层厚度为2mm的XYSS-106型消失模铸造涂料，在50°C温度下烘干2h，得到浇注系统模型；
(4)、造型将步骤(3)的浇注系统模型置于对应的普通钢制模箱中，用粒度为60目的干石英砂覆盖，在振动频率为四00次/分钟，振动时间为20秒条件下振动砂箱，用透明塑料布将砂箱上表面封严，得到具有气密性的模箱；
(5)、真空实型铸渗将模箱内的真空度调整在0.06MPa的负压下，然后将金属基材液 (金属基材选择为高铬钢，其成分百分比wt. %为=C :1. Owt. %, Si 1. 8 wt. %，Mn :0. 3 wt. %， P :0. 06 wt. %, S :0.(Mwt.%，余量为Fe)在温度为1580°C浇入模箱，待模箱自然冷却后，即得碳化钨颗粒增强金属基复合材料。实施结果
(1)复合材料的表面质量高，复合层均勻，复合厚度达到3mm以上，碳化钨颗粒的分布也比较均勻(见图1);
(2)预置层中添加钴粉后，由于钴与碳化钨间的固相界面为共格界面，基体与颗粒的结合作用良好，减少了因两者间结合不匹配导致的微裂纹的出现(见图2)。实施例2
(1)、EPS模型成型在泡沫上划线标记切割路径，在划线时需留有1.2mm的余量，然后使用温度加热至400°C的直径为0. 5mm电阻丝对EPS泡沫进行切割，切割完毕后得到EPS模型；
(2)、预置块的制备及涂装将粒度为50目的碳化钨颗粒和粒度为200目的钴粉按体积比37:3混合，然后浓度为6wt%的PVA水溶液最为粘接剂，加入量为预置块总量的5 vt%, 混合形成增强颗粒料将混合后的增强颗粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在50°C温度下加热硬化0. 8h，以形成预置层；
(3)、浇注系统模型的粘结用市售白乳胶粘接步骤(1)中制得的EPS模型，在40°C温度下加热干燥1. 2h,之后在EPS模型表面和预置层表面涂上一层厚度为Imm的XYSS-106型消失模铸造涂料，在40°C温度下烘干2.紐，得到浇注系统模型；
(4)、造型将步骤(3)的浇注系统模型置于对应的普通钢制模箱中，用粒度为40目的干石英砂覆盖，在振动频率为四50次/分钟，振动时间为25秒条件下振动砂箱，用透明塑料布将砂箱上表面封严，得到具有气密性的模箱；
(5)、真空实型铸渗将模箱内的真空度调整在0.065MPa的负压下，然后将金属基材液 (金属基材选择为高铬钢，其成分百分比wt. %为C :1. 2wt. %，Si 1. 5wt. %，Mn :0. 4 wt. %， P :0. 04 wt. %, S :0.06wt.%，余量为Fe)在温度为1590°C浇入模箱，待模箱自然冷却后，即得碳化钨颗粒增强金属基复合材料。实施例3
(1)、EPS模型成型在泡沫上划线标记切割路径，在划线时需留有1.5mm的余量，然后使用温度加热至200°C的直径为0. 8mm电阻丝对EPS泡沫进行切割，切割完毕后得到EPS模型；
(2)、预置块的制备及涂装将粒度为60目的碳化钨颗粒和粒度为400目的钴粉按体积比19 2混合，然后浓度为6wt%的PVA水溶液最为粘接剂，加入量为预置块总量的6vt%， 混合形成增强颗粒料将混合后的增强颗粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在60°C温度下加热硬化lh，以形成预置层；
(3)、浇注系统模型的粘结用市售白乳胶粘接步骤(1)中制得的EPS模型，在60°C温度下加热干燥1. 5h,之后在EPS模型表面和预置层表面涂上一层厚度为1. 5mm的XYSS-106 型消失模铸造涂料，在60°C温度下烘干池，得到浇注系统模型；
(4)、造型将步骤(3)的浇注系统模型置于对应的普通钢制模箱中，用粒度为60目的干石英砂覆盖，在振动频率为3000次/分钟，振动时间为30秒条件下振动砂箱，用透明塑料布将砂箱上表面封严，得到具有气密性的模箱；
(5)、真空实型铸渗将模箱内的真空度调整在0.07MPa的负压下，然后将金属基材液 (金属基材选择为高铬钢，其成分百分比wt. %为C :1. Iwt. %，Si 1. 6wt. %，Mn :0. 5 wt. %， P :0. 03 wt. %, S :0.05wt.%，余量为Fe)在温度为1600°C浇入模箱，待模箱自然冷却后，即得碳化钨颗粒增强金属基复合材料。实施例4
与实施例1所述步骤相同，其中步骤(1)的EPS模型成型为根据所需零件结构制作对应的模具，按模具体积的1/8的量，在模具中加入泡沫珠粒，用现有技术中的发泡方法直接制备汽化模样。实施例5
与实施例2所述步骤相同，其中步骤(1)的EPS模型成型为根据所需零件结构制作对应的模具，按模具体积的1/10的量，在模具中加入泡沫珠粒，用现有技术中的发泡方法直接制备汽化模样。
实施例6
与实施例3所述步骤相同，其中步骤(1)的EPS模型成型为根据所需零件结构制作对应的模具，按模具体积的1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用现有技术中的发泡方法直接制备汽化模样。
权利要求
1.一种通过铸渗法制备表层复合材料的方法，其特征在于具体制备步骤包括如下(1)、EPS模型成型在泡沫上划线标记切割路径，在划线时需留有1.0 1. 5mm的余量，然后使用温度加热至200 400°C的电阻丝对EPS泡沫进行切割，切割完毕后得到EPS 模型；(2)、预置块的制备及涂装将粒度为40 60目的碳化钨颗粒和粒度为200 400目的钴粉按体积比18 19 1 2混合，然后添加PVA水溶液作为粘结剂，混合形成增强颗粒料将混合后的增强颗粒料涂覆在EPS模型零件表面需要提高抗磨性的部位，在40 60°C 温度下加热硬化0. 5 lh，以形成预置层；(3)、浇注系统模型的粘结用市售白乳胶粘接步骤(1)中制得的EPS模型，在40 60°C温度下加热干燥1 1.证，之后在EPS模型表面和预置层表面涂上一层厚度为1 2mm 的消失模铸造涂料，在40 60°C温度下烘干2 池，得到浇注系统模型；(4)、造型将步骤(3)的浇注系统模型置于对应的普通钢制模箱中，用粒度为40 60 目的干石英砂覆盖，在振动频率为四00 3000次/分钟，振动时间为20 30秒条件下振动砂箱，用透明塑料布将砂箱上表面封严，得到具有气密性的模箱；(5)、真空实型铸渗将模箱内的真空度调整在0.06 0. 07MPa的负压下，然后将金属基材液在温度为1580 1600°C浇入模箱，待模箱自然冷却后，即得碳化钨颗粒增强金属基复合材料。
2.根据权利要求书1所述的通过铸渗法制备表层复合材料的方法，其特征在于所述步骤(1)中电阻丝的直径彡1mm。
3.根据权利要求书1所述的通过铸渗法制备表层复合材料的方法，其特征在于所述步骤(1)的汽化模样EPS的成型，还可用下列方法根据所需零件结构制作对应的模具，按模具体积的1/8 1/12的量，在模具中加入泡沫珠粒，用现有技术中的发泡方法直接制备汽化模样。
4.根据权利要求书1所述的通过铸渗法制备表层复合材料的方法，其特征在于所述步骤(2)中的粘接剂为浓度为6wt%的PVA水溶液，加入量为预置块总量的3 6 vt%。
5.根据权利要求书1所述的通过铸渗法制备表层复合材料的方法，其特征在于所述步骤(3)中消失模铸造涂料为XYSS-106型消失模铸造涂料。
6.根据权利要求书1所述的通过铸渗法制备表层复合材料的方法，其特征在于所述步骤(5)的真空实型铸渗中，金属基材选择为高铬钢，其成分百分比wt. %为C 1.0 1.2 wt. %，Si 1. 5 1. 8 wt. %，Mn 0. 3 0. 5 wt. %，P 彡 0. 06 wt. %，S 彡 0. 06 wt. %，余量为 Fe。
全文摘要
本发明涉及一种通过铸渗法制备表层复合材料的方法，属于耐磨抗磨材料制备技术领域。以碳化钨颗粒和钴粉混合制成预置体，将预置体置于零件模型的需抗磨位置，完成造型后用金属经行浇铸，实现铸渗复合，获得以碳化钨和钴作为增强体的表层复合材料。本发明碳化钨与钴两者的结合效果优异，基体和碳化钨颗粒间的结合效果因钴的加入得到提高，从而提高材料的整体性能；与现有技术相比较铸渗法制备含有碳化钨和钴的增强材料不仅可以达到提高材料表面抗磨损性能的目的，且生产工艺简单，可控制性高，成本低廉，利于大规模生产。
文档编号B22C9/04GK102430743SQ20111039234
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者周荣, 周荣锋, 山泉, 岑启宏, 李祖来, 蒋业华, 隋育栋 申请人:昆明理工大学