用于生产包裹硬质合金颗粒的金属坯料、铸件或型材的方法和装置的制作方法

专利名称:用于生产包裹硬质合金颗粒的金属坯料、铸件或型材的方法和装置的制作方法
本发明涉及一种由熔融金属生产金属坯料、铸件或型材的方法。熔融金属从在铸模上部的加热区被送入底处的冷却区冷却，冷却方式最好是水冷，并且以使熔融金属连续凝固的速度冷却。
如何通过有控制的冷却浇铸金属生产没有偏析的金属坯料的方法是已知的。为了使金属得到某种性能，可将不同的合金混合物加入熔融金属，根据合金混合物的浓度和冷却工艺，熔融金属以不同的方式结晶，借此某种性能如硬度、韧性、焊接性、耐磨性以及加工性能就可得到。根据各自要求的用途，用这种方法，就总要妥善处理各种性能之间的关系。
就钢而言，要获得高的韧性则必然要降低耐磨性，如在锰钢就是如此，这是我们所知道的而高的耐磨性只有与低的韧性相连系时才能得到，如含碳化物的特殊金属模具。而一般水平的硬度和耐磨性在合金模具钢就可以达到。
为摆脱这个困境，把一个焊有坚硬的保护层的韧性材料用于处在严重磨损条件的一些物体上是已知的技术。这保护层包含一个增加了碳化物的区域，这个区域是在一定条件下不断地往焊接熔池中撒金属碳化物而得到的。这种方法相当昂贵并且也只有有限的成功，因为这些保护层只能以有限的厚度被使用，同时他们还有剥落下来的倾向。如把更多的保护层放在彼此的上部，则就会出现不可控制的裂纹，它能导致保护层起鳞掉皮的增多。
此外，怎样用如钨、钛和鉭的碳化物或硬质合金的碎屑来生产含有硬质材料成分的铸件是已知的，在这里，这种硬质材料的粒料以相对说来是冷的熔融钢浇在上面，这样使它们的表面不熔化，但是由于钢基体在凝固时由于其较大的热膨胀系数而产生的压力，它们仅保持固态。因此，在很大的应力下，处于工件表面的硬质材料的颗粒很容易破裂。
另一种已知方法是把熔融的基体材料倒在硬质合金的粒料上，这里，基体材料的温度是如此地高于硬质材料粒料的熔化温度，以致使在很大程度上熔化，这是由于冷却下来的时间持续了几分钟。这种已知的方法有两种类型。第一种的特点是硬质材料是用钴或其它降低其熔点的混合物组成的合金;另一种的特点是使用很高的温度，在此温度下发生碳化物的分解并导致钢的基体的碳化。
在第一种情况下，硬质材料具有较低的硬度而在第二种情况下基体的硬度显著降低。此外，大部分的硬质材料被熔解并在混晶中再结晶，特别低强度碳从熔体中被分离出来。这进一步导致了缩孔和裂缝的形成，其结果是，在施加应力时，硬质材料的颗粒很容易破裂下来。
本发明的任务是展示一种方法，用这种方法可以相对容易地大规模生产出金属坯料，金属铸件或金属的成型的部件，这些产品既具有很高的韧性，又具有很高的耐磨性，并且在其中硬质材料的颗粒被均匀地，牢固地结合在金属中，特别是在钢的基体上，并且较少量的硬质材料的颗粒进入基体并在那里结晶，从而，由于缩孔和硬质材料的分解产物，特别是碳的颗粒使基体弱化的现象就不发生了。
这个任务是这样解决的硬质材料以粉末状、粒状或晶粒状的形式，在熔体的冷却期间从上部的加热区被带到熔融金属中去，熔融金属的温度低于硬质材料的熔点，使均衡并分布在熔体的表面上。
当硬质材料在加热区以高于其熔点的温度对其表面进行短时间的加热，这样就可以达到极为牢固地束缚在金属基体上。
如果熔融金属的高度较大，如在铸模内腔中这可能是1米，硬质材料颗粒从熔融金属的表面到模底的传输时间，以这样的方式估计是30秒在铸模的冷却开始之前，硬质材料颗粒的分撒早于传输时间就开始了，并且这和分撒物的分布是在冷却时间，包括传输时间内完成的，因此根据分撒物的分布时间，硬质材料的粒料被分布到冷却了的金属的整个高度。
通过下面这样一种方法使这一任务的解决有所改进在加热区有层熔渣，这层熔渣靠电阻加热，使其温度高于硬质材料的熔点，并且这渣层的高度是这样大，可使硬质材料的颗粒仅其表面被熔化。在此方法中，熔融金属被不断加入正在冷却下来的熔融金属中，被加入的熔融金属流的温度低于硬质材料颗粒的熔点。
硬质材料的颗粒在热的熔渣中仅停留约1秒钟，然后它沉入熔融金属。根据在包裹着坚硬质材料颗粒的金属凝固期间对金属坯料的测量表明，留下了一个深达几微米的区，在此区中钢的组分浸入硬质材料的表面，并且最终以共晶状态凝固。短时间的液化了的硬质材料形成了一个厚度在100～300微米的枝晶区，由于快速的冷却过程，晶体结构是不完全共晶的。此外，一种轻微的硬质材料的扩散发生在枝晶区中，也轻微地发生在钢的基体中。
因此，熔融金属保持这样低的一个有利的高度，以致使硬质材料颗粒的下沉时间是相当地短。
由于不断地把熔融金属注入铸模中，一个合金材料的浓度和扩散着的硬质材料颗粒的平衡状态总是存在的。因此，避免了过结晶过程中，不断地富集而同时又分解的现象。从而制得质地均匀的最终产品。
根据不同的使用条件，用这种方法可以使用不同类型的钢材。掺了硬质材料的钢材相应于未掺入材料的钢材，在韧性、焊接性、可锻性是一致，依赖加入坚硬材料，它还具有极高的硬度和耐磨性，只是难以加工。
如一种由高铬合金钢组成基体，而又含有掺入的碳化钨的金属显示出其耐磨性高于S2型粉末治金硬质合金，也高于HSS型可焊接钢，这种材料在保护气体下焊接，或用对头焊时，不产生开裂和裂纹。
用这种方法有部分工件、如凿子的刃、犁的切刃、铲土机齿的刃等都可以用在其上面掺了硬质材料的材料来制造。这种材料可焊在柄上，铲子上或轴上，从而最后可以使用。
根据凝固速度不断地把新的熔融金属注入铸模的过程可以很方便地在串连起来的铸模中进行，因此不仅能生产坯料和铸件，而且还能生产长度不限的型材。特别是这种串连浇铸工艺为生产某种所希望的遍布截面分布的掺入区是常见的，并且，如为了把硬质材料的颗粒分撒在今后将承受磨损应力的外部区，由于熔体的高度较小，这将导致硬质材料在最终产品中相对精确的分布。未掺入区如内部可以被加工掉(钻掉)，并且由于未干扰内部区的基体，抗拉强度有所增加。
这种方法可以应用于非铁金属如轻金属合金是其另一个优点，用这种方法获得了制造耐磨的装甲、飞机和火箭部件新的可能性。
这个全新的材料家族不仅可用于提高受磨损影响的机器另件和工具的寿命或降低他们的造价，还给组合件的生产提供了一个全新的可能性。在这种组合中，迄今为止各种必要的性能是通过组合元件得到的，如把坚硬质合金装在钻头和刀具钢上。
特别有利的是这种新材料还可以用于一些产品，这些产品受到磨损的影响，并且它应表现出很高的摩擦力，如火车的轮箍就处于这种情况下。由于硬质材料的颗粒极细微地突出于材料的表面，它导致了粗糙度和由此而产生的摩擦的增加。这种效应可以根据应用条件，通过使用粒料的尺寸，合适的颗粒形态和硬质材料的类型来模拟试验。
加入碳化钨的钢的性能的有利组合列表于下-高的耐磨性、高的抗冲击性和高的抗摩擦性。
-可弯曲性、可锻性、可轧制性。
-抗裂纹和抗断裂。
-不用予热及没有裂缝危险的电焊接性。
-可硬性，可热处理性。
为了应用这种方法，就必须使用的熔融金属的温度下不熔解的硬质材料。另外，最根本的是材料的比重大于熔融金属的比重，因为这样它可以下沉。
这种坚硬质材料的粒料可以从天然产品中提取，或可从烧结或熔炼中制取，而最后必须磨碎。在很多场合下，还可能使用尺寸合适的硬质材料的碎屑。
为了达到硬质材料的确定的分布，并由此而使最终产品性能均匀，按尺寸把粒料区别开是必要的。这可以用筛子或通过气流或水来区分。借助于可变的掺入工艺，而不是硬质材料颗粒在最终产品上的区域性的均匀分布，某些掺入子颗粒的型材可以被生产出来。这结果导致在型材上有一个递级的，连续的过度区域。
在冷却着的熔融金属中使用同样的分撒颗粒、粉末或晶粒的方法，很有可能使材料得到其他的性能，如对于装甲板就有坏的焊接性和可切屑性。一个可以提及住的例子是把硅的氧化物或刚玉加入轻金属中。
当适当地控制渗入时间和渗入量时，某些用于产生不同性能的掺入材料(如提高耐磨性的碳化钨，提高耐火性的硅的氧化物)可以结合在一起用于同一个浇铸过程。用这种方法，甚至更新的材料性能的结合类型是可以得到的。选择合金和相应的掺入物的浓度，这些工作可以由专业人员毫无困难地通过小型的实验性的步骤给予确定。
铸模截面可以进一步地适用于生产型材。通过加入芯子可以生产中空型材。与外模一样，这个芯子是通冷却水的。
合金和带有硬质材料的混合物下面的例子给出了一个较好的选择。讨论了在不同磨损的机械范围内的工业应用。这里有四个主要的磨损组合。
a)掺入了硬质材料的非合金钢或低合金钢这种合金的特点是含有0.8～1.8%的锰和大约1%的硅。且不说硅带来的机械工程的质量价值，这么高的硅含量还影响在铸模中的熔炼过程。如果熔融的材料是靠电极熔化提供的话，没有足够的硅含量，在熔炼过程中就没有充分的平静度。硅可以被分散到高温的熔渣中去，或者它可以是电极的一部分。应以每公斤合金钢加80～250g硬质材料的加入量掺入基体材料。掺入量低于80克将带来不合适的耐磨性结果。硬质材料的掺入量大于250克，在承受弯曲应力时会导致开裂。其中这种硬质材料的颗粒具有一种影响。颗粒度主要由给定的磨损条件决定。基本规律是如果有轧制、冲击或摩擦应力产生的话，颗粒的直径最大到0.8mm是有利的。抵抗很高的磨削和切削应力，如钻头上所受到的应力，粒度较大要好得多，例如可以是3-5mm。
b)马氏体钢在这一类别里占优势的是承受很重的矿物磨损的钢。通过掺入硬质材料，其耐磨性有很大的改善。较好的马氏体合金按其Rc硬度增长值列于表1。
c)奥氏体钢在这个组别下有不锈的和耐酸不锈的铬-镍钢。如含有18%Cr，8%Ni或19%Cr，9%Ni以及Mo，或者已知的可焊接材料含有18%Cr，8%Ni和6%Mn(工程牌号No1.4370)。这些合金被用于予计有腐蚀的环境，但他们决不能抵抗机械的，特别是矿物研磨料的磨损。根据本发明通过加入硬质材料，一种有别于前的全新的应用是有可能的。
另外一种含Mn的硬钢在这里提一下。其特点是含有1.2%C和12%～17%Mn。他们能满足特别的冲击和压力条件的要求。只是对于抵抗研磨料的磨损，其耐磨性不够。那么也可以通过加入这种硬质材料，由于改善了抗磨料的耐磨性，因而可获得新的用途。有一种新的特殊合金，它能抵抗相当高的冲击和磨料的磨损，其成分如下C＝1.0%，Si＝1.8%，Mn＝17%，Cr＝17%，W＝3.5%(平均值)根据本发明加入硬质材料后，耐磨性有极大的改进，并且由此可得到一种全新的，有很多用途的工程材料，从而满足了迫切的需要。
d)Ni基合金
含Ni很高的材料不适于在冲击和磨料磨损的条件下使用。通过加入本发明的硬质合金后，Ni，Ni-Cr-Fe合金，耐热耐蚀镍基合金B、C也可用于有磨料磨损的条件下。极好的抗腐蚀性-甚至在高温下-提供了一个全新的用途硬质材料结合方面的用途，这是由于在这种结合的工艺过程中由熔融金属分解出的抗腐蚀粒子被加入基体中。
浇铸装置的连续工作过程具有一个优点即基体材料的凝固，是在垂直方向上取向，因而可以生产出具有优良的加工性能的致密的材料。这个优点是通过使用一个带有电热渣的加热区得到的，对于含Cr量高的合金也可以获得这一优点。
熔渣的电加热在渣中以及在熔融金属中引起了一个强烈的环流运动。借助于渣料的负电阻特性，并借助于电流的磁场，在渣中和高温区中产生了一个连续的环流运动。这些效应由于电极连续地往复的或圆周的运动而有所加强。这样一种熔融金属的连续的环流运动导致了一个细晶结晶的结果。因为熔渣处于高于熔融金属的温度，这一效应被进一步加强了，从而熔融金属中的硬质材料被不断地包裹在较热熔渣界面区和较冷的结晶区之间。最后分解的结晶在温度较高的地区又被溶解。此外气体的排除，在较热区得到改善。
有一薄层熔渣复盖着模壁是一个优点，这层熔渣处在通红的粘稠状态。在取出凝固的材料过程中是一个很好的润滑措施，因此不必喷入其它含有润滑脂或油的碳粉，也就不会发生金属的渗炭，避免了气体组分被带入，也不需要任何喷射装置。
这一工艺的进一步的有利的变更是加入这样一些合金材料，其熔点较低，并且在略高于其熔点的温度下加入，而在高温下加熔融金属，熔融金属中埋入电极。在渣中熔化了的这一材料在其下沉穿过熔融金属的过程中以细晶状态结晶。这些细晶粒在凝固区中进入基体形成混晶被牢固地结合。
一个用于输送经精确控制的熔融金属流，避免带入气体和夹杂物的装置，被表示在图5中。
为了控制实施本工艺的装置，温度传感器被装在铸模上，而且从装置中取得的监测信号根据给定的规范被反馈入工艺控制中。
关于附图的简短说明图1潜入浇铸装置，垂直剖面图。
图2-4添加了硬质材料的坯料截面及冷却掺入物时间关系曲线。
图5连续浇铸装置，垂直剖面的局部示意图。
图6经电子显微镜放大的，硬质材料颗粒界面剖面图。
图7同图6但放大倍数较小。
根据本工艺为生产坯料和中空坯料，一个改型的内腔或潜入式浇铸装置是可以应用的。在图1中显示了这样一个装置。在本工艺开始时，铸模Ka被安装在加热罩50的加热区HZ中。该模装有熔融金属S，然后，投料装置DV安装在熔融金属S的上表面56的上面。该投料装置上带有一个用于分散硬质材料颗粒31a的装置57。为了冷却熔融金属，用一个铸模Ka从加热区HZa以一个给定的埋入速度埋入冷却区，冷却区通冷却水Kw。从而凝固材料14a和熔融材料S之间的界面55是近于平面，并且这个埋入冷却水的速度与熔融金属的凝固速度相等。这种方法可以避免溶解。有一个与上面所说的向下潜入等效的解决办法，即相应地提高包围着铸模Kw的冷却水的液面，并平行地升高加热罩50。
为了达到硬质材料颗粒33a在凝固材料14a(即生产出来的坯料)中的均匀分布的目的，在一个总的时间周期内均匀地、平均地分布撒入的硬质材料的总量，这个关系是由图2提供的。这个总时间周期等于粒料通过熔融金属S的总高度hg的下沉或传输时间tt和随后的冷却时间tk的和。硬质材料颗粒一达到模底51，铸模Ka就开始下沉。
为此，图2给出了一个时间图。ge线表示界面55相对于模底51的位置;d线表示被分撒的硬质材料颗粒的量和总量之比;ha给出掺入区的高度。
对于某些用凝固材料生产的机器零件，最好是只有一部分是耐磨损的，例如钻头的头部。那么，相应于被掺入区位置hde，hda(相对于总高度hg)，在时间te(相对于总的时间tt+tk)中进行硬质材料的分散(图3、图4)。
根据此办法，结果导致了颗粒31a在熔融金属S中下沉的逆向运动，并导致了凝固着的材料14a的生长。根据预先加入时间Stte，tta，颗粒的分撒的开始早于粒料到达界面55。
在图3中表示了一个与图4相比的较好的方案。由于下沉时间较短，所容许颗粒下沉的间隙是狭窄的。把根据图3和4的工艺叠加起来，用此方法生产出来的坯料两端都加入了粒料，这个方法也属于本发明范围之内。
还有可能在坯料的垂直方向上产生更多的被掺入区。这些区能通过在未掺入的截面上采取简单措施而分隔开来。
硬质材料颗粒在水平截面上的不均匀的分撒，在一定程度上是可以实现的。如在外部区域可以做到掺入量的增加。因为颗粒的下沉由于不是严格垂直的搅动，所以应予先采取措施防止发生一个横向的偏差，这种偏差导致了不精确的横向的区域界限。
根据用途可以改变铸模的横截面。为了生产中空的坯料，可以提供一个中间芯子，它和外模一样，从内部用向上流动的冷却水冷却。
为了避免硬质材料粒料在下沉时被熔融金属S的表面56上的泡沫所滞阻，以及避免任何气体被硬质材料颗粒31a带入熔融金属-这将导致坚硬材料的粒子被基体不完全地包裹-在一个较佳的实施方案中，在撒入装置57和表面56之间，根据使用的金属的类型，使用了保护气体如氩、氮或碳的氧化物，或使用能进一步从熔融金属S中排除气体的只有几乇的真空。为此目的，在铸模Ka和撒入装置57a之间安装了一个带有用于提供惰性气体或真空的进口管的真空密封罩52。最好有一个加热装置如等离子体加热装置58被安装在罩子52中。为了使硬质材料颗粒31a通过，加热区HZb被直接地安装在熔融金属材料S的表面56的顶部。
在加热区HZb中，硬质材料颗粒的表面被短时间的加热，结果它们被更严密地嵌入基体中。
掺入和遍及截面的分撒的控制，以及与传输和冷却时间有关的撒入相位的控制，是通过专业人员所知的手段如振动器和时间控制开关完成的。如图5所示的是用了一个可控制的振动器R和压力传送装置。控制系统最好连接成一个闭环控制，为此目的连续地测量凝固材料的表面55的位置(如用声学测距仪测定)，据此来控制冷却区的运动(如提高冷却水)及掺入时间。
可以得到可变的掺入断面，而不是均匀的掺入材料截面，例如可形成一个逐步过渡区域。
为了改善其他的性能，如坏的焊接性或切屑性能，本方法允许把硬质材料以外的组分应用于熔融金属。这样有利于防护物和安全装置。例如可以用石英或刚玉掺到轻金属合金中去。
为改善各种各样的性能，可以使用各种不同的装入料，如碳化钨用于改善抗磨料的耐磨性，石英用于改善淬火性能。如果在各自有关的时间把它们撒入熔融金属，那么一个新发明的性能组合就可以由此而达到。
在图5中所示的是一个本方法所使用的以电热熔渣作为加热区HZ的连续工作铸模装置的垂直剖面和局部剖面。不必改变所应用的方法，其它型式的模截面的铸模可以被使用，只要其基本功能如图所示，图中所示的浇铸和掺入装置可以用其他类型的装置所代替。
在垂直截面所示的铸模K是用铜作的，并且冷却水在连接管KW1，KW2之间流动。铸模的水平截面可以是园形或矩形的。如果矩形的长远大于其宽-根据图纸-如为了生产板材，那么若干个电极13可以相隔几厘米地并列安装，从而在熔渣12中可以产生一个均匀的电流。如果铸模的底是封闭的，这就意味着不用提供拉出装置z，可以根据铸模的形状来生产出铸件。然后当铸件被冷却后，铸模可分成至少两半，以取出铸件。
图中所示的铸模K是用于生产圆形材料的。通常可以生产直径为30mm或更大一点的这样的材料。为了生产直径较小的材料，可以给熔渣提供一个较宽大的熔化体积。有一个钢环1装在铸模的顶部。
将几支电功率电极13平行排列，板材(例如横截面为20×200mm2)就可以生产出来。电极形成一个往复运动，硬质材料31被撒在电极之间。用这种方法可得到一个粒料的均匀分布。这个分布通过电极的往复运动和一个围绕电流通道的强大的运动着的磁场的作用而改善。当烧结的碳化物或硬质合金碎屑被使用时，这种分布效应特别有效。在这种情况下，硬质材料的颗粒13被磁场所吸引，并被拉到电极13上。通过电极的不断熔化和均匀的往复运动，就实现了均匀分布。
一种用于轧机产品的初级产品。有40×40mm2、50×50mm2或60×60mm2的截面。为了到一个没有缺陷的材料，至少要用2到3个电极13，并在方形截面内作横向往复运动。以同样的形式作横向运动的硬质材料被分撒到熔融金属12或53中。如果不使用这种横向运动，则会在铸模壁附近产生渣孔。把硬质材料撒在横截面的中心，会导致生成一个中心硬材料柱。在以后所进行的轧制流程中，这会导致晶柱的破裂。
相应于不同的被使用碳化物的类型，其在整个截面上的分布是不同地进行控制。熔融的碳化钨有下沉到界面中部较深地方的趋势，而烧结的碳化物则被磁场驱使到铸模壁上。在这种情况下，在制备好了的产品表面上显露出粒料，这正是通常所希望的。
大于70×70mm2的截面，导致柱状晶更经常地形成。在这方面更易于产生平坦的剖面。图5给出了其他截面的例子。
凝固之后，型材以红热状态脱离铸模，其脱模温度大约是900～1000℃。从铸模再进一步向下拉时，渣层15首先冷下来，然后它从表面几乎完整地脱落下来。
如果被熔炼好的基体材料从铸模中脱了出来，那么熔融金属SI通过入口SE进入捕渣室SF，在这里熔融金属通过捕渣器21、22从顶到底被净化，并且从那里，通过可控制的底部阀门V沉入浇铸漏斗T。漏斗是一个与其垂直轴对称的旋转体，并且按图中的垂直剖面成型。以这样方法，下沉的熔融金属S2不会旋转，并且因而不会把气体吸收进去。
漏斗的出口TM紧靠在熔渣12的上面，熔渣放在铸模K的扩大区11的附近。流入铸模K的金属液流S23是由漏斗T中的液态金属S2的高度h2给定的。因而它可以通过阀门控制器VS根据高度h2控制阀门V而得以控制。但是在一个所示的例子中，它被提供来连续地测量装满料的漏斗T的重量。这个漏斗被安装到弹簧F上并被连接到重量传感器GM上，从而流入漏斗T的液流12和流出的液流S23相等。这个液流的流量是给定的。在另一方面，为得到一通过这连续流程中的平衡状态，这个流量必须和脱出模的凝固的材料的量相等。从而，给定的开始条件是铸模中的熔融金属的高度达到了规定的高度。拉出装置7的拉出速度是由特别指示的脱出温度而得以控制的。这个特别指示温度是通过在铸模K下面的温度传感器T53用信号指示。
熔渣12被保存在铸模K的漏斗状上部N中，它被导入边缘1中。边缘的冷却不用内部通水而是仅靠向铸模热传导。熔渣的高度h是通过渣粉包SP借助于渣粉投料装置Sb(如振动给料器)使之进熔渣12而稳定下来的。
硬质材料颗粒30被储存在料包40中，从中借助于可控制的装在底部的振动器R，形成一股颗粒的料流经软管41和出口管42流入熔渣12。出口管42的末端最好邻近电极31，并被连接压力输送装置A/P上，并借助于压力输送装置A/P软管41也同样地作往复运动。如所说过的，硬质材料颗粒31，如果它是导磁的，那么通过电流流过电极13和熔渣12而诱发的磁场将其滞留，这里料流通道沿着磁场不断运动，并且由于磁力的作用被传送并分布于渣面，直至铸模K的漏斗部分11的边缘。根据与在下边缘上面的熔渣12的高度h1相关的漏斗部分11的形状，确定在横截面上，熔渣12、熔融金属S2和凝固材料14中的硬质材料颗粒32、33和34的分布。如，当提供一个较大的漏斗部分的容积时，则在表面附近的地方硬质材料的浓度增加。
在这熔融金属持续的过程中，在模壁的不同高度，在铸模的下面以及在边缘1上，不同的温度都被测得。这个温度指示出渣子表面的，熔融金属表面的以及某种程度上凝固界面的水平。因而，温度传感器TS1，TS2，TS3被安装在这些地方，而且他们还与控制装置ST相连接，它依据指定的信号控制下列装置1.渣料投料装置Sd，2.通过控制料流S23，13a，31(他们彼此间按照给定的比例是有联系的，这一比例取决于所选择的收到物)控制熔融金属S3的高度。
3.拉出装置Z的拉出速度。
4.发电机G的电流，该发电机将有一个连接器与铸模K相接，另一个连接器和电极13相连接。
电极13可以用高熔点的材料，如钨制成，或者从内部用水冷却。它与一个压力传动装置或搅拌装置A/P相连接，它驱使电极以每几秒一次的周期连续地在熔渣12的表面的中部循环移动，电极埋入渣中的深度为熔渣高度的1/4至1/2。
在变更此方法的情况下，电极13由合金材料构成。有一个还包括一个进料装置的压力传动装置，它是按照与所需的合金材料成比例控制的，所需合金材料与熔融料流S23相适应。
为了通过电极馈入合金材料，或在同样的情况下馈入总的熔融金属，如已知的焊接技术那样，一种装有合金材料的管状电极，或阻尼条是可用的。这种合金材料可方便地由两种或三种材料的合金或晶体组成，因而这样的合金的熔点显著地低于他们各自的熔点。借此，这总的组分给出了总的最终合金材料的比例。使用的铁合金，如硅铁，锰铁，铬铁，钨铁或使用三元合金如Fe′Cr′C;Fe′Si′Mn;Fe′W′C0载体材料可以是非合金化的铁或含Cr或Ni的铁合金。
发电机G的电流或与它相关的电压被选择到这样一个强度在一个埋入约1/3的熔渣12的高度的深度使电极13达到熔化。如果只需要少量的合金材料并且为达到指定的熔渣温度进一步加热电流是必需的，最终并联使用熔化电极和插入电极的组合是必不可少的。
控制装置是一个程序控制处理机，程序根据所要求保护的方法进行工作。从控制装置ST的输出电路，控制线Sda，Vsa，Za，A/Pa，Ra通向相应的装置如渣料给料装置Sd，阀门控制装置Vs，拉出装置Z，电极馈入和压力传动装置A/P，硬质材料给料装置Ra，并且控制线GS通到发电机G，它可以是一个带有或不带有整流器的变压器，或者如从焊接技术中所知的，它可以是脉冲功率控制电流发生器。如果不是控制电流而是控制电压，由于熔渣的负电阻特性，在熔渣中产生一个较高的搅动。这通常是一个优点。
操作条件，根据所要求保护的方法，拉出温度，熔渣高度，熔融金属高度，合金材料比例，压力装置行程，熔渣温度等控制程序的参数，通过一个输入装置E例如键盘被输入控制装置ST。工作参数和与标准值的偏差通过输出装置如显示装置或打印机输出。这些装置和用于熔融金属S1的渣粉Sp、硬质材料颗粒的储存装置和电极以及冷却水的蓄水池上安有适当的传感器，它们在通到控制装置ST的监视线RM上不断地监视相应情况。为处理开始和结束的阶段，控制装置ST和时钟CL相连接，借助于它的时间信号，达到均衡状态的熔化装置的时间常数根据特殊的程序由此可推导出来。在第一次采用某一种类型的铸模时，控制是直接由操作者完成的。一组操作条件被馈入，并且以信号反应的实际操作参数被记录下来。在以后的操作中，被测得的操作参数被用来作为反馈控制的参数，并且实际测得的信号与予定值的偏差被用于控制相应的控制装置，如前面所列的驱动装置，阀门装置等。在流程停止一段时间后，例如为更换另件，或更换或再装入材料，同样的过程仍然发生。
已经确定，就使用碳化钨或硬质合金碎屑而言，熔渣温度在1700～2000℃的温度范围是适宜的。
渣粉SP可用一些混合物制成，如-45%的硅和钛的氧化物，10%的钙和镁的氧化物，40%的铝和锰的氧化物，5%的氟化钙或-35%的硅的氧化物，20%的镁的氧化物，25%的铝的氧化物，10%的氟化钙以及其它成分。
材料从铸模K中拉出的温度应是在1000℃左右，即总是在所用的基体材料的熔点以下。为达到这点，即硬质材料颗粒32在熔渣12中仅在表面熔化或熔解。熔渣的高度h和其温度是与粒料为了传输通过渣层所需要的时间成适当的关系而进行选择的。颗粒的尺寸和形状以及与熔渣12相比的比重连同其粘度是为此而要遇到的参数。一般规定渣的高度是4厘米。
图6表明了一个用电子显微镜放大的材料样品的横截面，材料的基体含高比率的Cr，硬质材料是碳化钨。硬质材料H1被只有几微米厚的扩散区D1紧紧地包围着。基体材料M1以低的浓度被形成枝状的硬质材料的枝晶D2穿过其厚度约为1微米。在枝晶D2之间的间隙为基体材料紧紧填满。
图7表示低倍放大的一种材料的横截面，其基体为含碳0.18%左右的非合金钢ST37-2，并且带有嵌入的由Wc+TaC+Tic组成的烧结过的硬质材料颗粒(在图中的标号为H2)。内部的护散区由于放大倍数比图6小，是看不见的。枝晶区D20，从粒料H3伸入基体材料约100微米。另外的，30微米深的硬质材料扩散区D30以低浓度伸出枝晶，在这个扩散区之外，可以看到纯基体材料M2。
根据要求保护方法，以两部分组成并带有封闭式模底的铸模生产铸件，是在本发明范围内的。在工艺开始时，在模中注入热的熔渣。此后连续地把熔融金属和硬质材料颗粒分别地加入和撒入铸模。同时熔渣通过电极被电流加热。这样一来，不用进一步机械加工，凿子、钻子、钻头、破碎机的齿、犁刀等就可以生产出来。同时根据使用需要，粒料可以局部地专门掺在外表面，如在切屑刃上。控制装置ST根据准备好的程序，控制各个熔炼过程，并以相应的时间和数量启动，停止和控制驱动装置和阀门。
如果硬质材料颗粒31已经按所希望的比例和合金组分一起含在电极材料中，则控制装置和工艺装置就可以简化。一个单独的硬质材料掺入装置R和料仓40就可以省掉。
就采用同一工艺装置生产不同的合金和掺入料而言，有必要贮备几种类型的电极。并列地使用不同的几种电极组合，就可能用有限的几种类型的电极生产出范围广泛的各种不同的材料。
还可能把含有合金材料的镶条馈入熔渣，而不使他们和发电机相连。于是熔化的能量是局部地从渣中吸取，结果产生了一个局部的温度下降。在某些情况下利用这一现象可能是有利的，因为温度的分布对结晶过程有一种影响。所生产出来的材料的截面，可被专业人员用来对这种影响进行分析。
权利要求
1.一种由熔融金属(S3，5)制造金属坯料、铸件或型材(14，14a)的工艺，熔融金属在铸模(K，Ka)中，从上部的加热区(Hz，Hza，Hzb)被输送到下部(KW)最好用水冷却的冷却区，输送是以与熔融金属(S3，5)凝固相同的速度进行的，本方法包括粉末、颗粒或晶粒状硬质材料(31，31a)在整个冷却过程中，在熔融金属的表面(5b)上，从上部的加热区(Hz，Hza，Hzb)被分散到熔融金属(S3，5)中，并且熔融金属的温度低于硬质材料(31，31a)的熔点。
2.根据权利要求
1的工艺，包括加热区(Hz，Hzb)的温度超过硬质材料颗粒(31，31a)的熔点，并且这些颗粒在进入熔渣(S3，S)之前是以这样的一个速度穿过加热区(Hz，Hzb)，以致它们正好熔在表面上约1微米深。
3.根据权利要求
2的工艺，包括加热区(Hzb)包含一个在保护气氛，如惰性气体中的等离子炉。
4.根据权利要求
2的工艺，包括加热区(Hz)由熔渣(12)所组成，熔渣通过电阻加热到最大程度其温度超过硬质材料颗粒(31，32)的熔点，并且其高度(h)使得硬质材料粒料(32)刚能熔化它们的表面。
5.根据权利要求
4的工艺，包括熔渣的高度在1到5厘米之间，并且熔渣的温度平均在1700℃到2000℃之间，熔渣的组成是被给定的-45%的硅和钛的氧化物，10%的钙和镁的氧化物，40%铝和锰的氧化物，以及5%的氟化钙，或-35%的硅的氧化物，20%的镁的氧化物，25%的铝的氧化物，和10%的氟化钙以及其它。
6.根据权利要求
5的工艺，包括电源是和铸模(K)接通的，并且另一方面和一个最好用inest材料如钨制成的，或是被水冷却的并在熔渣表面的中部区域作交叉或循环运动并埋入熔渣(S3)内深度约 1/4 或 1/2 的电极(13)连接，从而将硬质材料颗粒(31)供入电极(13附近，最好是在分别的交叉和循环运动之后供入。
7.根据权利要求
5的工艺，包括电源一方面连接到铸模(K)而另一方面连接到电极(13)，它由被连续地熔化在熔渣(12)中的这样一种金属组成，从而电极(13)由这样一些材料制成，而且以这样一种速度被供入渣(12)中，以致和在熔融金属(S23)流中其它加料一起，分别得到所希望的在铸模(K)中熔融金属(53)的组分和凝固金属(14)的组分，此外，电流供应或熔渣温度是如此之高以致电极(13)在 1/4 至 1/2 的熔渣深度中被熔化，从而电极(13)交叉或循环的冶熔渣表面的中部区域运动。
8.根据权利要求
7的工艺，包括电极(13)由管子或镶条或类似物制成，在它上面或里面用于被熔金属(S3)的合金成分和硬质材料颗粒如炭化钨是被固定的，颗粒的熔点低于熔渣(12)的温度但高于被熔金属(S3)的温度。
9.根据权利要求
1的工艺，包括从熔融金属(S3)中凝固了的材料(14)被从冷却区中，以与发生凝固相同的速度被拉出，并且以同样的量度供入熔融金属(S3)中的熔融金属流(S23)是被控制了的，因此它的高度是大约2到10厘米。
10.根据权利要求
9的工艺，包括从熔化装置中熔融金属(Sl)被带入捕渣包中(SF)，从那里它通过可控制的底阀门(V)经由漏斗(T)供入到铸模(K)的熔融金属(S3)中，并且从而阀门(V)反馈方式的控制取决于漏斗T中熔融金属(S2)的高度(h2)或重量与给定值的比较，从而提供一个恒定的材料流(S23)，借此凝固了的材料(14)被从铸模(K)的底部以这样一个速度被拉出，使其拉出温度大约是1000℃，从而分别推导出与拉出速度成比例的指定的给定值和掺入材料或供入硬质材料颗粒(31)的速度。
11.根据权利要求
1的工艺，包括硬质材料颗粒(31a)是均匀地分撒在熔融金属(S)的表面(56)并且是在总的时间内完成;这总时间是由传输时间(tt)，它是硬质材料颗粒料为沉入通过未被冷却的熔融金属的总高度(hg)所需要的时间，和由为冷却在铸模(Ka)中的坯料的被控制了速度的总高度(hg)所需要的时间加起来的，分撒是在那些时间范围(tt+tk，te，ta)内完成的，它与给定的高度(hd，hde，hda)成比例并且与给定的在坯料中要掺入粒料的有关区(Zg，Ze，Za)成比例。
12.根据权利要求
11的工艺，包括粉末的、粒状的或晶粒状的硬质材料(31a)用筛子或最好用风或一种液体介质分选，从而得到一个加入料的均匀一致的沉降速度，并且考虑为分别确定掺入工序的时间间隔的传输时间，将加入料供入熔融金属(S)中去。
13.根据权利要求
1的工艺，包括硬质材料分别地分撒入熔渣(12)和熔融金属(S)是在真空或在保护气体如惰性气体气氛下进行的。
14.为实施在权利要求
4中所要求的工艺的设备，包括铸模(K)在熔融金属(S3)的顶部提供了一个为容纳至少为高度(h)的熔渣(12)的容积，并且这个容积加宽成漏斗(11)的形状，末端最好是钢制的边缘(1);铸模K本身最好用铜制成并用流水冷却;其中熔渣(12)的高度h1是这样高以致于与压力传动装置或循环装置的最大行程有关的一个给定的掺入硬质材料的断面可以在凝固了的材料(14)中得到。
15.根据权利要求
14的设备，包括在熔渣表面上方的熔融金属给料装置的出口(TM)，一个渣粉给料装置(Sd)和至少一个最好安装在馈入和压力传动装置(A/P)上的电极(13)的支架并且装有一个硬质材料给料装置(40，41，42，R)和装在铸模(K)下部的拉出装置(Z)。
16.根据权利要求
15的设备，包括由带有底部的可控制的阀门(V)的捕渣器(SF)和在它下面的带有出口(TM)的漏斗(T)所组成的熔融金属给料装置，而且在它的漏斗(T)上装有重量传感器(Gm)，它的信号被馈入作为控制装置ST的一个部分的调节装置，在这里这个信号分别地和凝固速度、凝固了的材料(14)的拉出速度成比例的值相比较，并且这被指定的调节器的输出信号被馈入底阀(V)的控制。
17.根据权利要求
16的设备，包括控制装置(ST)在其输入端与重量传感器(GM)和在边缘(1)里的，铸模内壁的和从铸模出来的材料(14)的出口的温度传感器(TS1……TS3)，馈入装置和压力传动装置(A/P)的，底阀控制的，渣料给料装置(Sd)的，硬质材料给料装置(R)的，发电机(G)的以及拉出装置(Z)的阀门控制(VS)的监视接点或传感器相连接;在其输出端和控制信号线路(Vsa、A/Pa、Sda、Za、Ra、Gs)相连接以便控制驱动各相应装置，或控制发电机的电压或电流，时钟(CL)作用于控制装置(ST)上，与在其中包含的程序以及经由给定工艺参数的输入装置(E)一起，实现该工艺，规定了的工艺参数的偏差被输出到输出装置(A)，从而在边缘(1)上的温度传感器信号(TSI)通过给料装置(Sa)被用于控制熔渣(12)高度和控制发电机(G)的电流或电压，在铸模(TS2)壁上的温度传感器的信号(TS2)借助于熔融金属流的调配被用于控制熔融金属(S3)的高度，并且它还被用于控制被分撒的硬质材料的调配，这些所规定的控制通过所包括的工艺装置的时间补偿常数得以实现。
18.根据权利要求
17的设备，包括控制装置(ST)根据与由拉出装置(Z)实现的拉出运动有关的时间进度控制着硬质材料的给料装置，它控制着和熔融金属流(S23，13a)有关的硬质材料流的闭合量，而且它还控制着压力传动装置或循环装置(A/P)的行程，位置以及与时间相匹配的动作，从而在垂直和水平方向上不同的硬质材料的富集区将产生，如较高的掺入材料富集在工作表面上。
19.根据权利要求
1的设备，包括一个潜入罩中的铸模(Ka)在其上方装有分撒装置(57)，通过分撒装置硬质材料被分撒在材料流下面并及时握它控制在铸模(Ka)中的熔融金属(S)的表面(56)上。
20.根据权利要求
19的设备，包括分撒装置(57)和铸模(Ka)是相连的并用盖(52)真空密封，并且由此给定的容积被接到惰性气体或真空源上，并且这内部容积就是加热区(HZb)，在其中最好安装一个等离子体加热装置。
21.根据权利要求
1到13之一所生产的铸件或型材，包括其含有硬质材料颗粒(H1，H2)如碳化钨，颗粒被深度为0.3至3微米的扩散区(D1)紧紧地包围，在此区中基体材料扩散进入颗粒并且围绕所说的扩散区(D1)是一个含有低浓度硬质材料的厚度约为1微米的枝晶的区(D2，D20)，并且该区(D2，D20)的宽度为100至300微米，最后提及的区有一个浓度相对低的硬质材料的延伸深度为50微米的扩散区，并且在所说的枝晶间和扩散区进而至外面的容积被基体材料紧密地填充。
22.根据权利要求
21的铸件或型材，包括硬质材料的含量是基体材料重量的8到25%。
23.根据权利要求
22的铸件或型材，包括硬质材料的浓度在靠近外表面的区域中，特别是在工作表面或切削刀口高于总体积的平均含量若干倍。
24.根据权利要求
21的铸件或型材，包括为了应用于轧制和冲击应力，硬质材料的颗粒直径在0.3至0.8mm之间，而用于切削或磨削应力硬质材料直径在0.8到4mm之间。
25.根据权利要求
21的铸件或型材，包括基体材料是-含有0.8至1.8%的锰和1%左右的硅的低合金钢，或-马氏体钢，或-奥氏体钢，除了其他成分之外，含有如-18%Cr，8%Ni，或-19%Cr，9%Ni和Mo或-18%Cr，8%Ni，6%Mn或-含有1.2%C、12-17%Mn的锰钢，或-含有1%C，1.8%Si，17%Mn，17%Cr，3.5%W的合金钢。-高镍含量的合金。
26.根据权利要求
21的铸件或型材，包括基体材料是非铁合金最好是ACMg3，ACMg5，ACSi5，ACMgZn1，硬质材料颗料是金属碳化物或氧化物如刚玉。
专利摘要
生产金属坯料，铸件或型材(14)的工艺和设备，在此工艺过程中熔融金属(S3)在一个铸模(K)中根据熔融金属(S3)的凝固速度从一个加热区(HZ)被移到冷却区并且在其冷却时间内硬质材料颗粒持续地通过加热区(HZ)供入熔融金属(S3)。该加热区最好是电加热的熔渣(12)，其温度高于硬质材料的熔点，熔融金属(S3)的温度低于硬质材料的熔点。
文档编号B22D11/041GK85101589SQ85101589
公开日1987年1月31日 申请日期1985年4月1日
发明者沙茨 申请人:沙茨导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan