專利名稱：消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的耐磨性能要求越來(lái)越高，冶金、礦山、建材、電力、化工、 煤炭和農(nóng)業(yè)等部門分別要用到礦山機(jī)械、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和各種破碎粉磨機(jī)械，這些機(jī)械設(shè)備的易損件要受到砂石、礦石、土壤等各種物料和研磨體的磨損，每年要消耗大量金屬。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能源的1/3 1/2消耗與摩擦和磨損有關(guān)。對(duì)材料來(lái)說(shuō)，約80%的零件失效是由磨損引起的，其中因磨料磨損而失效的約占50%，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)用于磨料磨損工況的耐磨鋼鐵件，每年要消耗200多萬(wàn)噸。由此，開發(fā)研制出一種能在磨損工況下，具有較長(zhǎng)使用壽命的新材質(zhì)顯得極為重要。在工業(yè)中的許多領(lǐng)域存在惡劣的工作環(huán)境，要求工作零部件同時(shí)具備耐磨耐熱或耐磨耐蝕綜合性能，因此具有單一性能的材料已不能滿足工況的需求。復(fù)合材料由于是將兩種或以上具有不同特性的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法將它們有機(jī)結(jié)合在一起，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，因此材料具有優(yōu)異的綜合性能。近幾年來(lái)，對(duì)復(fù)合材料制備工藝的研究做了大量的工作，開發(fā)了多種工藝。這些工藝方法用于制造有色金屬?gòu)?fù)合材料時(shí)，由于有色金屬大多數(shù)熔點(diǎn)低，與很多增強(qiáng)顆粒間浸潤(rùn)性好，因此取得了很好的效果。如SiC增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料制造活塞，使用壽命大幅度提高。然而對(duì)黑色金屬而言，由于熔點(diǎn)高，相互之間冶金反應(yīng)復(fù)雜，因此如何方便地使增強(qiáng)顆粒加入黑色金屬液中，并使其均勻有效地分布，一直是一道難題，這嚴(yán)重影響顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。多年來(lái)，對(duì)顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的工藝研究一直是復(fù)合材料研究的重大課題之一，也取得了一些成果。專利(公開號(hào)1080221)介紹了一種制備顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合材料的鑄造方法，其工藝步驟是先做好鑄型，同時(shí)制備尺寸為負(fù)偏差的消失模，再將消失模放入鑄型中，這樣在消失模和鑄型間就形成空隙。將空隙填滿硬質(zhì)顆粒，合箱抽真空澆注，從而在表面形成含硬質(zhì)顆粒的耐磨材料。該方法工序復(fù)雜，不能很好的將消失模負(fù)壓鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)利用起來(lái)，生產(chǎn)效率低，且復(fù)合層厚度和質(zhì)量難以保證。CN1383945A公開了一種顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，它的工序步驟是先做好泡沫塑料模，在鑄件需要制作復(fù)合材料的部位，將模制作成兩部分粘結(jié)，其中之一制有溝槽，然后將混制好的增強(qiáng)顆粒填滿溝槽，再將模的兩部分粘結(jié)起來(lái)，上涂料烘干造型，最后抽真空澆注。這種方法制備較復(fù)雜，不適合實(shí)際生產(chǎn)的需要。CN101053898A介紹了一種制備顆粒增強(qiáng)金屬基表面復(fù)合材料的真空實(shí)型鑄滲方法，這種方法是將增強(qiáng)顆粒制備成與復(fù)合材料所需耐磨表面形狀相適應(yīng)的預(yù)制塊，將其固定在需要合金化的泡沫材料模樣表面，然后按鑄造工藝造型并澆注。這種方法的缺點(diǎn)是泡沫產(chǎn)生的氣體以及復(fù)合層中的粘結(jié)劑氣化產(chǎn)生的氣體使得材料內(nèi)部多出現(xiàn)無(wú)法避免的氣孔缺陷，無(wú)法生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件。CN1128297A公布了一種局部復(fù)合材料及其制造方法，其是將陶瓷顆粒、有機(jī)粘結(jié)劑與普碳鋼基、耐熱鋼基或鎳基粉末混勻，壓制成所需形狀的預(yù)制塊，置于需強(qiáng)化的鑄件的鑄型局部，澆注金屬即可。這種方法制作的局部復(fù)合材料，易產(chǎn)生夾渣缺陷，并且復(fù)合層與基材金屬的界面結(jié)合效果相對(duì)較差，在收到?jīng)_擊作用下，會(huì)使復(fù)合層脫落而失去耐磨的作用。CN101422814A公開了一種局部復(fù)合耐磨材料的制備方法，它是選用高合金粉芯管絲，根據(jù)工件表面的形狀，裁剪、卷制或疊加制成相似結(jié)構(gòu)； 按照鑄造工藝造型，將制作好的高合金粉芯管絲預(yù)埋入砂型型腔中，冶煉基材金屬材料澆注，從而得到所需復(fù)合材料。這種方法的缺點(diǎn)在于易形成夾渣缺陷，用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)工藝可控性較差，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能滿足各種磨損、激冷激熱等復(fù)雜工況下使用的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
一種消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，經(jīng)過(guò)下列各步驟(1)將硬質(zhì)陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行固化以制作增強(qiáng)體(硬質(zhì)陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模；(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料。
所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒是氧化鋁、碳化硅、碳化鎢、氮化硅、氮化鈦中的一種或者任意幾種；當(dāng)硬質(zhì)陶瓷顆粒是兩種或兩種以上時(shí)，各種硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒度相同。
所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒徑為-10 +80目。
所述步驟(1)的泡沫珠粒為聚苯乙烯(EPS)泡沫珠粒或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 泡沫珠粒。
所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒的體積比小于2 8時(shí)，泡沫珠粒與硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒徑比為4 10 1。
所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒的體積比大于2 8時(shí)，泡沫珠粒與硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒徑比為0. 125 3 1。
所述步驟(1)中的固化是指常規(guī)的高頻加熱成型、熱水加熱成型、蒸缸發(fā)泡成型和壓機(jī)發(fā)泡成型。
所述步驟(2)的基材金屬材料為鋼或鐵。
所述鋼為普通碳鋼、合金鋼或高錳鋼。
所述鐵為灰鑄鐵或球墨鑄鐵。
本發(fā)明采用消失模發(fā)泡技術(shù)，將混合均勻的混合物填滿模具的模腔，固化時(shí)將蒸汽通過(guò)模壁的氣眼通入裝有硬質(zhì)陶瓷顆粒與熟化泡沫珠粒混合物的模腔中，在幾秒到幾十分鐘的時(shí)間內(nèi)使珠粒受熱軟化膨脹，由于模壁的限制，膨脹的顆粒相互粘結(jié)在一起，并填滿整個(gè)空隙形成一個(gè)整體，在這個(gè)過(guò)程中，硬質(zhì)陶瓷顆粒始終處于珠粒與珠粒之間，經(jīng)冷卻定型后，從發(fā)泡模具中取出即可得到所需的硬質(zhì)陶瓷顆粒在其中均勻分布的泡沫塑料模樣， 再用熔融的基材金屬材料澆注便得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明借助消失模發(fā)泡技術(shù)，將硬質(zhì)陶瓷顆粒彌散分布于泡沫模型內(nèi)部，提高了基材金屬液與硬質(zhì)陶瓷顆粒的結(jié)合強(qiáng)度，利于金屬液在顆粒間的滲透，且用本發(fā)明制備的鋼鐵基復(fù)合材料鑄件，具有較高的表面質(zhì)量和尺寸精度，對(duì)于要求不高的復(fù)合材料鑄件可以直接使用，對(duì)于形狀復(fù)雜的、技術(shù)要求高的復(fù)合材料鑄件也能使用，如環(huán)形的鑄件，制備的復(fù)合材料組織致密，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)高，使復(fù)合材料的綜合性能得到較大的提高。本發(fā)明的復(fù)合制備方法可控性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，整體性能高，成品率高，無(wú)論是整體增強(qiáng)還是局部增強(qiáng)， 均可直接做成各種金屬基復(fù)合材料零部件，無(wú)需二次加工，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，能廣泛應(yīng)用于礦山、電力、冶金、煤炭、建材等耐磨領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明步驟(1)所得泡沫模中硬質(zhì)陶瓷顆粒的彌散分布情況圖(圖中1為熟化后的泡沫珠粒，2為硬質(zhì)陶瓷顆粒)；
圖2是本發(fā)明制備方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1
(1)將粒徑為-40 +60目的氧化鋁顆粒2與熟化后的粒徑為-10 +20的聚苯乙烯 (EPS)泡沫珠粒1按體積比大于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行熱水加熱成型固化，以制作增強(qiáng)體(硬質(zhì)陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模，如圖1所示；
(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉合金鋼Crl5 高鉻鋼至澆注溫度1580°C后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料(氧化鋁顆粒為彌散增強(qiáng)相、Crl5高鉻鋼為基材)。實(shí)施例2
(1)將粒徑為60目的碳化硅和碳化鎢顆粒，與熟化后的20目的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)泡沫珠粒按體積比大于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行蒸缸發(fā)泡成型固化，以制作增強(qiáng)體(硬質(zhì)陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模；
(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉低碳鋼(普通碳鋼)至澆注溫度1580°C后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料(碳化鎢和碳化硅顆粒為彌散增強(qiáng)相、低碳鋼為基材)。實(shí)施例3
(1)將粒徑為80目的碳化硅、碳化鎢和氮化硅顆粒，與熟化后的20目的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)泡沫珠粒按體積比小于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行壓機(jī)發(fā)泡成型固化，以制作增強(qiáng)體(硬質(zhì)陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模，如圖1所示；
(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉球墨鑄鐵 QT500至澆注溫度1530°C后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)
5陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料(碳化鎢、碳化硅和氮化硅顆粒為彌散增強(qiáng)相、QT500為基材)。
實(shí)施例4(1)將粒徑為30目的碳化硅、碳化鎢、氮化硅和氮化鈦顆粒，與熟化后的20目的聚苯乙烯(EPS)泡沫珠粒按體積比大于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行壓機(jī)發(fā)泡成型固化，以制作增強(qiáng)體(硬質(zhì)陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模，如圖1所示；(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉高錳鋼至澆注溫度1580°C后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料(碳化鎢、碳化硅、氮化硅和氮化鈦顆粒為彌散增強(qiáng)相、高錳鋼為基材)。
實(shí)施例5(1)將粒徑為60目的氧化鋁、碳化硅、碳化鎢、氮化硅和氮化鈦顆粒，與熟化后的10目的聚苯乙烯(EPS)泡沫珠粒按體積比小于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行熱水加熱成型固化，以制作增強(qiáng)體(硬質(zhì)陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模，如圖1 所示；(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉灰鑄鐵HT300 至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料(氧化鋁、碳化鎢、碳化硅、氮化硅和氮化鈦顆粒為彌散增強(qiáng)相、HT300為基材)。
實(shí)施例6(1)將粒徑為10目的氮化鈦顆粒與熟化后的80目的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)泡沫珠粒按體積比大于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行高頻加熱成型固化，以制作增強(qiáng)體(硬質(zhì)陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模；(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉灰鑄鐵至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料。
實(shí)施例7(1)將粒徑為80目的氧化鋁和碳化鎢顆粒，與熟化后的8目的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)泡沫珠粒按體積比小于2 8混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行蒸缸發(fā)泡成型固化，以制作增強(qiáng)體(硬質(zhì)陶瓷顆粒)均勻分布其中的泡沫模；(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉高錳鋼至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于經(jīng)過(guò)下列各步驟(1)將硬質(zhì)陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行固化以制作增強(qiáng)體均勻分布其中的泡沫模；(2)按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置步驟(1)所得泡沫模，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒是氧化鋁、碳化硅、碳化鎢、氮化硅、氮化鈦中的一種或者任意幾種；當(dāng)硬質(zhì)陶瓷顆粒是兩種或兩種以上時(shí)，各種硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒徑為-10 +80目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的泡沫珠粒為聚苯乙烯泡沫珠?；蚓奂谆┧峒柞ヅ菽榱！?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒的體積比小于2 8時(shí)，泡沫珠粒與硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒徑比為4 10 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒的體積比大于2 8時(shí)，泡沫珠粒與硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒徑比為0. 125 3 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中的固化是指常規(guī)的高頻加熱成型、熱水加熱成型、蒸缸發(fā)泡成型和壓機(jī)發(fā)泡成型。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)的基材金屬材料為鋼或鐵。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述鋼為普通碳鋼、合金鋼或高錳鋼。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述鐵為灰鑄鐵或球墨鑄鐵。
全文摘要
本發(fā)明提供一種消失模鑄造陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法，通過(guò)將硬質(zhì)陶瓷顆粒與熟化后的泡沫珠粒按任意比例混合均勻，再將混合物填入模具的固化模腔中進(jìn)行固化以制作增強(qiáng)體均勻分布其中的泡沫模；然后按常規(guī)消失模方法造型，在型腔中放置所得泡沫模，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度后，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到硬質(zhì)陶瓷顆粒在基材金屬中彌散分布的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料。本發(fā)明的制備方法操作簡(jiǎn)便，整體性能高，成品率高，無(wú)論是整體增強(qiáng)還是局部增強(qiáng)，均可直接做成各種金屬基復(fù)合材料零部件，無(wú)需二次加工，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，能廣泛應(yīng)用于礦山、電力、冶金、煤炭、建材等耐磨領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B22C9/04GK102489686SQ201110445139
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者周榮, 李祖來(lái), 蔣業(yè)華, 隋育棟, 黃汝清 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)