一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置及方法，属于抗耐磨材料制备【技术领域】；本发明所述装置包括凸台的型腔、内石英管、EPS泡沫、预制层、金属网、石英砂、金属网、橡皮塞、直角石英管、砂型、外石英管、真空表、真空阀、真空泵；本发明借助真空密封技术，提高金属液的充型能力，以利于金属液在增强颗粒间的渗透，从而获得更厚更致密的复合层，使制备的颗粒增强金属基表面复合材料具有较高的增强体体积分数，较均匀的增强体分布以及优异的抗冲击磨损性能；本发明所述方法金属液充型能力强、颗粒增强金属基表面复合材料的表面复合厚度厚的特点；本发明方法不仅适用于制备一般颗粒增强金属基表面复合材料，还适用于制备对复合材料几何尺寸要求较高的力学测试材料的制备。
【专利说明】一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置及方法，属于抗耐磨材料制备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]现代工业的发展对材料的耐磨性能要求越来越高，冶金、矿山、建材、电力、化工、煤炭和农业等部门分别要用到矿山机械、工程机械、农业机械、和各种破碎粉磨机械，这些机械设备的易损件收到砂石、土壤等各种物料盒研磨体的磨损，每年要消耗大量金属。根据不完全统计，能源的1/3?2/3消耗于摩擦与磨损；对材料来说，约80%的零件失效是由于磨损引起的，其中以磨料而失效的约占50%，据统计我国用于磨料磨损工况的耐磨钢铁件，每年要消耗200多万吨；由此，开发研制出一种能在磨损工况下，具有长使用寿命的新材质显得极为重要。
[0003]铸渗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。自此方法出现以后，得到了不断的发展，尤其是在二十世纪九十年代以后，铸渗法制备复合材料收到人们的青睐。
[0004]目前，利用铸渗方法制备表面复合材料的方法主要有以下几种:(I)普通铸渗方法；(2)离心铸渗方法；(3) V法铸渗工艺；(4)实型铸渗工艺(EPC) ；(5)真空实行铸渗工艺(V-EPC)。在这些工艺中，前四种工艺存在着铸件表面质量差，尺寸精度低，容易出现气孔或夹杂等缺陷，并且各自表面复合层厚度较薄，而真空实型铸渗工艺制备出的材料虽较前四种工艺相比气孔、夹杂减少，尺寸精度提高、表面质量也有一定的提升，但目前其复合层厚度只有:T5mm厚，若要测试复合层的力学性能，则无法满足各种力学性能测试中国标对材料的尺寸要求，基于此，真空实型铸造碳化钨增强金属表层复合材料的装置及方法很好的解决了材料复合层厚度薄的问题，使用该装置方法制备的颗粒增强表层复合材料的厚度达到17mm，满足了目前目前各种力学测试中对复合层材料尺寸的要求，此种方法对于材料性能测试研究具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置，该装置包括带凸台的型腔1、内石英管2、EPS泡沫3、预制层4、金属网I 5、石英砂6、金属网II 7、橡皮塞I 8、直角石英管9、砂型10、橡胶塞II 11、外石英管12、真空泵13、真空表14、真空阀15，带凸台的型腔I位于砂型10上和砂型10连成一体；带凸台的型腔I与内石英管2相连接，石英管2内依次放入EPS泡沫3、预制层4、金属网I 5、石英砂6、金属网II 7，内石英管2的下端用橡皮塞I 8密封；直角石英管9的一端和橡皮塞I 8密封连接、另一端和橡皮塞II11密封连接；外石英管12的一端用橡皮塞II 11密封，另一端与真空泵13连接，真空表14、真空阀15竖直安装在真空泵13的上方。
[0006]本发明所述EPS泡沫3的厚度为5?10mm、预制层4的厚度为15?25mm、石英砂6的厚度为10?15mm。
[0007]本发明所述金属网I 5为的150μπι以上的金属网，石英砂6颗粒大小为600?850 μ mD
[0008]本发明所述带凸台的型腔(I)圆柱的直径为Φ120?Φ 160mm、高度为18(T280mm，凸台长为50?60mm、宽为50?60mm、高为8?15mm。
[0009]本发明所述内石英管2竖放，垂直于带凸台型腔I的底面，使其在浇注中获得一个更大的压头高度从而获得更大的铸渗力。
[0010]本发明所述砂型10通过以下方法制备得到:首先砂箱底部铺上一层4(T50mm厚的造型砂，将除真空泵外的真空实型铸渗装置安放在砂箱中底部造型砂上的预定位置，在装置竖直方向上方放置带凸台的型腔木模，然后再用水玻璃砂进行造型，将预先放置有真空实型铸渗装置及带凸台的型腔木模的砂箱用水玻璃砂填满，外石英管与真空泵相连，在填满并紧实造型砂后，拿出带凸台的型腔木模，吹入二氧化碳气体，使二氧化碳与水玻璃反应，实现砂型的固化，从而完成造型。
[0011]本发明的另一目的是提供所述的制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置用于制备颗粒增强金属基表面复合材料，具体包括以下步骤:
(O将增强颗粒和金属粉末进行混合，将混合均匀的粉末放入内石英2管中，完成预制层的制备，混合过程可以使用行星式球磨机，球磨机中球料质量比3:1，大小球个数比1:4?1:7 ;
(2)使用真空泵13对真空吸铸铸渗装置进行抽气，使内石英管2及外石英管12里面的真空度为0.065?0.075MPa ；
(3)将基材金属液加入带凸台的型腔I中，通过真空产生的吸力、金属液的重力以及金属液对碳化钨的润湿，使金属液被吸进包含碳化钨颗粒的预置体中，待铸型冷却后，即得颗粒增强复合材料；
(4)在浇铸结束后真空泵13持续抽气疒5min，在浇注完基体金属液进入带凸台的型腔I后获得持续的铸渗充型能力，浇铸过程中产生的气体将随着真空泵13的持续抽气排出铸型中，获得组织均匀缺陷较少的复合材料，并在铸型表面铺撒保温覆盖剂，提高型腔中基体金属液的保温效果，从而提高复合材料的复合效果。
[0012]本发明所述基体金属为铸铁或铸钢，所述增强颗粒为三氧化二铝、碳化硅、碳化钛、硬质陶瓷、碳化钨中的一种或多种按任意比例混合，颗粒粒径为150?630 μ m。
[0013]本发明所述真空阀15，通过真空阀调节真空泵真空值的大小，来调节金属液的充型能力，从而调节复合层的厚度，并且通过真空值读数大小来表征复合层的厚度。
[0014]本发明所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置的组装过程包括以下步骤:
(1)用透明胶封住内石英管2的一端，然后依次放入EPS泡沫3、预制层4、金属网I5、石英砂；
(2)再用金属网II7封住石英砂，使石英砂保持层状，不松散； (3)利用直角石英管9及橡胶塞将内石英管和外石英管相连接，直角石英管9两端分别与金属网I 5和橡胶塞相接触，防止预制层与石英砂发生松动；
(4)橡胶塞和外石英管12连接，橡胶塞中从外石英管12往真空泵方向分别依次连接真空仪表14、带刻度尺寸的真空阀15，橡胶塞最终一端密封连接在外石英管，一端连接在真空泵13中。
[0015]本发明的有益效果:
(1)本发明借助真空密封技术，将卷入的空气和泡沫塑料在浇注过程中因汽化而产生的气体抽走，提高了金属液的充型能力，以利金属液在颗粒间的渗透，从而获得更厚更致密的复合层，增强体的体积分数高，使复合材料的综合性能得到较大的提高；
(2)利用本发明制备的复合层厚度可达17mm，使颗粒增强金属基表面复合材料在现今的工况中能具有更好的耐磨性，适用于各种力学测试试样的制备，满足其尺寸方面的要求；
(3)本发明中带凸台的型腔的设置使得在取样、切割复合材料试样的时候沿着凸台切害IJ，整个取样切割过程方便、快捷。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置的结构示意图；
图2是本发明所述实施实例I中碳化钨颗粒增强金属基复合材料(a)宏观界面金相图、(b)复合层中部金相图。
[0017]图中:1_带凸台的型腔，2-内石英管，3-EPS泡沫，4-预制层，5-金属网I，6_石英砂，7-金属网II，8-橡皮塞I，9-直角石英管，10-砂型，11-橡胶塞II，12-外石英管，13-真空泵，14-真空表，15-真空阀。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
[0019]实施例1
本实施例所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置包括带凸台的型腔1、内石英管2、EPS泡沫3、预制层4、金属网I 5、石英砂6、金属网II 7、橡皮塞I 8、直角石英管9、砂型10、橡胶塞II 11、外石英管12、真空泵13、真空表14、真空阀15，带凸台的型腔I位于砂型10上和砂型10连成一体；带凸台的型腔I与内石英管2相连接，石英管2内依次放入EPS泡沫3、预制层4、金属网I 5、石英砂6、金属网II 7，内石英管2的下端用橡皮塞I 8密封；直角石英管9的一端和橡皮塞I 8密封连接、另一端和橡皮塞II 11密封连接；外石英管12的一端用橡皮塞II 11密封，另一端与真空泵13连接，真空表14、真空阀15竖直安装在真空泵13的上方，如图1所示。
[0020]本实施例所述EPS泡沫3的厚度为5mm、预制层4的厚度为15mm、石英砂6的厚度为1mm ;金属网I 5为的150 μ m金属网，石英砂6颗粒大小为2000 μ m ;所述带凸台的型腔
(I)圆柱的直径为Φ 140mm、高度为220mm,凸台长为55mm、宽为55mm、高为11mm。
[0021]本实施例所述砂型10通过以下方法制备得到:首先砂箱底部铺上一层40mm厚的造型砂，将除真空泵外的真空实型铸渗装置安放在砂箱中底部造型砂上的预定位置，在装置竖直方向上方放置带凸台I的型腔木模，然后再用水玻璃砂进行造型，将预先放置有真空实型铸渗装置及带凸台的型腔木模的砂箱用水玻璃砂填满，外石英管12与真空泵13相连，在填满并紧实造型砂后，拿出带凸台的型腔I木模，吹入二氧化碳气体，使二氧化碳与水玻璃反应，实现砂型的固化，从而完成造型。
[0022]本实施例所述的制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置用于制备碳化钨颗粒增强金属基表面复合材料，其特征在于，具体包括以下步骤:
(1)将粒度为250?425μ m的碳化钨颗粒和粒度为150 μ mNi6025WC粉末装入行星式球磨机将颗粒和粉末进行混合，设定球磨机转速为100 r/min,混粉时间为30min,球料质量比3:1，大小球个数比1:6，在混合粉末中碳化钨颗粒60%?80%，Ni6025WC粉末20%?40%，所述Ni6025WC粉末为65%镍包合金和35%WC的混合粉末；将混合均匀的粉末放入内石英管2中，完成预制层的制备；
(2)使用真空泵13对真空吸铸铸渗装置进行抽气，使内石英管2及外石英管12里面的真空度为0.065?0.075MPa ；
(3)使用中频炉对配置的铸钢进行熔炼，铸钢金属液从中频炉的孕育温度为1620°C，浇注前测得在浇包中的浇注温度为1580°C ；
(4)将铸钢金属液加入带凸台的型腔I中，使金属液被吸进包含碳化钨颗粒的预置体中，待铸型冷却后，即得颗粒增强复合材料；
(5)在浇铸结束后真空泵13持续抽气3min，并在铸型表面铺撒保温覆盖剂；
本实施例制备得到的碳化钨颗粒增强表层复合材料尺寸为05OX 17mm，符合力学性能测试试样尺寸要求，经过压缩测试，得到压缩屈服强度为847MPa，抗压强度为1215.03MPa。
[0023]本实施例制备得到的碳化钨颗粒增强表层复合材料的金相图如图2所示，其中图Ca)是宏观界面(钢和复合层之间的结合界面)的金相图，图(b)是复合层中部(碳化钨颗粒与钢之间的结合界面)金相图，由图(a)可以看出复合层与铸钢金属液的界面结合情况良好，形成了明显的过渡界面，由图(b)可以看出碳化钨增强颗粒比较均匀的分布于钢液中，颗粒与钢液结合情况良好，无团聚现象出现，制备的材料符合力学性能测试的要求。
[0024]实施例2
本实施例所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置包括带凸台的型腔1、内石英管2、EPS泡沫3、预制层4、金属网I 5、石英砂6、金属网II 7、橡皮塞I 8、直角石英管9、砂型10、橡胶塞II 11、外石英管12、真空泵13、真空表14、真空阀15、，带凸台的型腔I位于砂型10上和砂型10连成一体；带凸台的型腔I与内石英管2相连接，石英管2内依次放入EPS泡沫3、预制层4、金属网I 5、石英砂6、金属网II 7，内石英管2的下端用橡皮塞I 8密封；直角石英管9的一端和橡皮塞I 8密封连接、另一端和橡皮塞II 11密封连接；外石英管12的一端用橡皮塞II 11密封，另一端与真空泵13连接，真空表14、真空阀15竖直安装在真空泵13的上方，如图1所示。
[0025]本实施例所述EPS泡沫3的厚度为5mm、预制层4的厚度为15mm、石英砂6的厚度为1mm ;金属网I 5为的150 μ m金属网，石英砂6颗粒大小为2000 μ m ;所述带凸台的型腔
(I)圆柱的直径为Φ 160mm、高度为280mm,凸台长为60mm、宽为60mm、高为15mm。
[0026]本实施例所述砂型10通过以下方法制备得到:首先砂箱底部铺上一层40mm厚的造型砂，将除真空泵外的真空实型铸渗装置安放在砂箱中底部造型砂上的预定位置，在装置竖直方向上方放置带凸台I的型腔木模，然后再用水玻璃砂进行造型，将预先放置有真空实型铸渗装置及带凸台的型腔木模的砂箱用水玻璃砂填满，外石英管12与真空泵13相连，在填满并紧实造型砂后，拿出带凸台的型腔I木模，吹入二氧化碳气体，使二氧化碳与水玻璃反应，实现砂型的固化，从而完成造型。
[0027]本实施例所述的制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置用于制备碳化硅颗粒增强金属基表面复合材料，其特征在于，具体包括以下步骤:
(1)取粒径为50(Γ630μ m的碳化硅颗粒和粒径为60 μ m的铬粉装入行星式球磨机将颗粒和粉末进行混合,设定球磨机转速为100 r/min,混粉时间为30min,球料质量比3:1,大小球个数比1:5，在混合粉末中碳化硅颗粒为40%，铬粉为1.5%，其余用EPS颗粒填充，将混合均匀的粉末和EPS颗粒放入内石英管中，完成预制层的制备；
(2)使用真空泵对真空吸铸铸渗装置进行抽气，使内石英管2及外石英管12里面的真空度为 0.065?0.075MPa ；
(3)使用中频炉将配置的铸钢进行熔炼，铸钢金属液从中频炉的孕育温度为1620°C，浇注前测得在浇包中的浇注温度为1560°C ；
(4)将铸钢金属液加入带凸台的型腔I中，使金属液被吸进包含碳化钨颗粒的预置体中，待铸型冷却后，即得颗粒增强复合材料；
(5)在浇铸结束后真空泵13持续抽气3min，并在铸型表面铺撒保温覆盖剂；
本实施例制备得到的碳化硅颗粒增强表层复合材料尺寸为05OX12mm，符合力学性能测试试样尺寸要求。
[0028]实施例3
本实施例所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置包括带凸台的型腔1、内石英管2、EPS泡沫3、预制层4、金属网I 5、石英砂6、金属网II 7、橡皮塞I 8、直角石英管9、砂型10、橡胶塞II 11、外石英管12、真空泵13、真空表14、真空阀15、，带凸台的型腔I位于砂型10上和砂型10连成一体；带凸台的型腔I与内石英管2相连接，石英管2内依次放入EPS泡沫3、预制层4、金属网I 5、石英砂6、金属网II 7，内石英管2的下端用橡皮塞I 8密封；直角石英管9的一端和橡皮塞I 8密封连接、另一端和橡皮塞II 11密封连接；外石英管12的一端用橡皮塞II 11密封，另一端与真空泵13连接，真空表14、真空阀15竖直安装在真空泵13的上方，如图1所示。
[0029]本实施例所述EPS泡沫3的厚度为5mm、预制层4的厚度为15mm、石英砂6的厚度为1mm ;金属网I 5为的150 μ m金属网，石英砂6颗粒大小为2000 μ m,所述带凸台的型腔
(I)圆柱的直径为Φ 120mm、高度为180mm,凸台长为50mm、宽为50mm、高为8mm。
[0030]本实施例所述砂型10通过以下方法制备得到:首先砂箱底部铺上一层40mm厚的造型砂，将除真空泵外的真空实型铸渗装置安放在砂箱中底部造型砂上的预定位置，在装置竖直方向上方放置带凸台I的型腔木模，然后再用水玻璃砂进行造型，将预先放置有真空实型铸渗装置及带凸台的型腔木模的砂箱用水玻璃砂填满，外石英管12与真空泵13相连，在填满并紧实造型砂后，拿出带凸台的型腔I木模，吹入二氧化碳气体，使二氧化碳与水玻璃反应，实现砂型的固化，从而完成造型。
[0031]本实施例所述的制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置用于制备氧化铝颗粒增强金属基表面复合材料，其特征在于，具体包括以下步骤:
(I)取粒径为850 μ m的氧化铝颗粒、粒径为75 μ m的碳化硼粉末装入行星式球磨机将颗粒和粉末进行混合,设定球磨机转速为100 r/min,混粉时间为30min,球料质量比3:1,大小球个数比1: 6，在混合粉末中氧化铝颗粒为30°/Γ35%，碳化硼为3°/Γ5%，其余为EPS颗粒，将混合均匀的粉末及EPS颗粒放入内石英管中，完成预制层的制备；
(2 )使用真空泵12对真空吸铸铸渗装置进行抽气，使内石英管2及外石英管11里面的真空度为0.065?0.075MPa ；
(3)使用中频炉将配置的铸钢进行熔炼，铸钢金属液从中频炉的孕育温度为1610°C，浇注前测得在浇包中的浇注温度为1550°C ；
(4)将铸钢金属液加入带凸台的型腔I中，使金属液被吸进包含碳化钨颗粒的预置体中，待铸型冷却后，即得颗粒增强复合材料；
(5)在浇铸结束后真空泵13持续抽气3min，并在铸型表面铺撒保温覆盖剂。
[0032]本实施例制备得到的氧化铝颗粒增强表层复合材料尺寸为05OX16mm，符合力学性能测试试样尺寸要求。
【权利要求】
1.一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置，其特征在于:该装置包括带凸台的型腔(I)、内石英管(2)、EPS泡沫(3)、预制层(4)、金属网I (5)、石英砂(6)、金属网II (7)、橡皮塞I (8)、直角石英管(9)、砂型(10)、橡胶塞II (11)、外石英管(12)、真空泵(13)、真空表(14)、真空阀(15),带凸台的型腔(I)位于砂型(10)上和砂型(10)连成一体；带凸台的型腔(I)与内石英管(2)相连接，石英管(2)内依次放入EPS泡沫(3)、预制层(4)、金属网I (5)、石英砂(6)、金属网II (7)，内石英管(2)的下端用橡皮塞I (8)密封；直角石英管(9)的一端和橡皮塞I (8)密封连接、另一端和橡皮塞II (11)密封连接；外石英管(12)的一端用橡皮塞II (11)密封，另一端与真空泵(13)连接，真空表(14)、真空阀(15)竖直安装在真空泵(13)的上方。
2.根据权利要求1所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置，其特征在于:所述EPS泡沫(3)的厚度为5?10mm、预制层(4)的厚度为15?25mm、石英砂(6)的厚度为l(Tl5mm。
3.根据权利要求1所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置，其特征在于:所述金属网I (5)为的150 μ m以上的金属网，石英砂(6)颗粒大小为60(Γ850 μ m。
4.根据权利要求1所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置，其特征在于:所述内石英管(2)竖放，垂直于带凸台型腔(I)的底面。
5.根据权利要求1所述制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置，其特征在于:所述带凸台的型腔(I)圆柱的直径为Φ120?Φ 160mm、高度为180?280mm,凸台长为50?60mm、宽为50?60mm、高为8?15mm。
6.权利要求1所述的制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置用于制备颗粒增强金属基表面复合材料，其特征在于，具体包括以下步骤: (I)将增强颗粒和金属粉末进行混合，将混合均匀的粉末放入内石英管(2)中，完成预制层的制备； (2 )使用真空泵(13 )对真空吸铸铸渗装置进行抽气，使内石英管(2 )及外石英管(11)里面的真空度为0.065?0.075MPa ； (3)使用中频炉将配置的基材进行熔炼，基体金属液从中频炉的孕育温度为160(Tl650°C，浇注前浇包中的浇注温度为154(Tl590°C ； (4)将基材金属液加入凸台的型腔(I)中，使金属液被吸进包含碳化钨颗粒的预置体中，待铸型冷却后，即得颗粒增强复合材料； (5)在浇铸结束后真空泵(13)持续抽气2?5min，并在铸型表面铺撒保温覆盖剂。
【文档编号】B22D18/06GK104209496SQ201410352657
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】李祖来, 冯志扬, 蒋业华, 山泉, 黄浩科, 潘伟, 毕金凤, 韦贺 申请人:昆明理工大学