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铸造表面合金化的基本原理及工艺分析2018/7/20 12:22:22

  1铸造表面合金化的基本原理

  铸造表面合金化又称铸渗,首先将要铸渗的合金粉末或陶瓷颗粒等增强相预先固定(通过涂料或以膏块形式粘贴)在型壁的特定位置上,然后浇注金属液,让金属液通过孔隙渗透到合金涂层内,包围合金颗粒,在熔剂和其它添加剂的共同作用下,通过一系列高温冶金物化反应在原涂层所在位置形成合金化层。

  2铸造表面合金化影响因素

  为了获得较好质量的铸件表面合金化铸渗层,必须在铸渗过程中对工艺因素进行严格控制,在影响铸件铸渗层质量的众多工艺因素中,以基体金属,增强颗粒,浇注温度,涂层厚度,粘结剂和溶剂等的影响最为显着。

  (1)基体金属的影响。一般而言,基体金属除应具有足够的强韧性外,更重要的是必须对铸渗剂合金要有良好的润湿性和一定的溶解度,以保证在界面呈冶金结合,提高结合强度。

  (2)增强颗粒的影响。为了获得特殊性能(如耐蚀,耐热,耐磨)的复合合金层,通常选用抗磨性好,抗氧化性好,硬度高,耐高温的抗磨材料作为增强相。增强颗粒的选择须考虑增强颗粒的弹性模量,热膨胀系数,显微硬度,耐压强度,密度,热稳定性等。但在具体选择增强颗粒时还需考虑以下两个问题。一是颗粒与液体金属间的浸润性,二是合金颗粒的粒度。

  (3)浇注温度的影响。浇注温度控制是形成铸渗层的重要因素。浇注温度过高,渗剂元素烧损严重,基体晶粒粗大,同时合金涂料也容易被浇注金属液冲散。而浇注温度过低,合金涂层得不到足够的热量,融合强度低,渗层容易脱落,扩散层薄或形不成扩散层。

  (4)涂层厚度的影响。涂层薄时,不足以形成一定厚度的合金化渗层,同时也易被金属液冲散;过厚,不能完全被金属液浸透和熔化,且浇注时易形成裂纹。一般铸渗层随涂刷厚度的增加而增厚。

  (5)粘结剂的影响。粘结剂是保证铸渗能否成功的一个不可忽视的因素,它的作用,一是渗剂的相互粘结,二是和型腔表面的粘结,所以选择粘结剂应根据以下原则:①高温溃散性好,不烧结;②易于上浮,尽可能少地形成夹渣;③具有较高的高温强度,不易为钢水冲散;④发气量少,易于铸渗深度的提高;⑤用量尽可能少。

  (6)熔剂的影响。熔剂的作用是改善合金颗粒的润湿能力,防止合金颗粒表面氧化,有洁净表面的作用。通常采用复合熔剂,以利于清除合金层中的熔渣。但是加入过多,使合金涂料强度变差,易造成铸造缺陷,所以其加入量要适量。

  3铸造表面合金化的制备工艺

  3.1普通的铸渗工艺

  该工艺是利用在铸型型腔表面涂刷以合金粉末为主的涂料,利用金属液的流渗能力,金属液的余热使金属液与金属粉末间发生冶金反应。普通的铸渗工艺对于增强颗粒与基体润湿性能较差的铸渗复合层制备显得无能为力,这就需要采取改善颗粒与基体间的润湿性以迫使金属也向渗剂渗透。正压力,离心力或振动方法,负压力等方法都可以强化金属液对涂敷层的渗透能力。该工艺的优点是:工艺简单,设备投入少,生产成本低,一般多适用生产表面耐磨铸件。但其不足是易产生气孔和夹渣,渗层质量稳定性有待提高;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。

  3.2离心铸渗工艺

  离心铸造法是根据制品的要求,首先把一定量的增强颗粒在低速情况下放入铸型,借助于离心力的作用,把增强体颗粒均匀分布于制品外表面或内表面,形成具有一定厚度和孔隙度的预制型,然后将熔炼好的钢液浇入铸型,使钢液在离心力的作用下渗入预制型的间隙,获得表层有一定厚度的复合材料。采用此法可获得表层有一定厚度的复合材料,用来制造外表面或内表面有特殊性能要求的制品。该工艺的不足之处在于仅能用于回转体类型零件的表面复合。

  3.3负压铸渗工艺

  负压铸渗也叫真空吸铸。此法无需粘结剂,采用机械真空吸附作用来固定合金粉末,由真空所产生的负压使合金粉末紧紧地压在铸型壁上,从而避免被金属液冲散,增强了金属液与合金粉末的接触,加强了金属液向合金粉末的渗透能力。由于该法不用粘结剂,所以消除了铸件因粘结剂分解而产生的气孔,夹杂等缺陷。

  该工艺<1-2>有以下两种基本形式:①实型负压铸渗工艺。实型负压铸渗工艺也叫V-EPC铸渗工艺,即用聚笨乙烯泡沫制备出铸件模型,然后在所需部位涂上铸渗用粉末,再将模型埋入真空砂箱内浇注,泡沫模型燃烧变为气体,同时金属液在负压吸力下渗入粉末涂层,凝固后形成铸渗复合层。增强颗粒可采用铬铁,钒铁颗粒和碳化钨颗粒等。浇注过程中抽真空形成负压将泡沫和涂胶燃烧产生的气体抽走,利于金属液在颗粒间的渗透,并可防止涂覆层被金属液冲散,凝固后形成高质量的颗粒表面复合材料。

  该工艺使用简便,不必考虑涂层,膏块的安放,固定,且该法生产的铸件尺寸精度高,加工余量小,表面光洁,无环境污染,成本低等,被认为是21世纪最有发展前途的铸造工艺,被国际材料学界誉为21世纪绿色铸造工程<3-4>。②空腔负压铸渗。空腔负压铸渗(V法铸渗)砂型只用干砂,不需添加粘结剂,其基本原理是在带抽气室的砂箱内添入单一干砂稍加微震紧实,然后对型面和砂箱背面覆有塑料薄膜的砂箱抽真空,利用砂箱内外的压力差使铸型定型,然后起模合箱,在保持真空状态下浇注金属液。与传统砂型铸造相比V法铸造表面光洁度好,尺寸精度高,工艺操作简便,使用范围广,生产成本低,但是这种生产方法也存在一个缺陷,即粘砂问题相当严重,设备投入较多。

  3.4压力铸渗工艺

  该工艺是将合金预制体或粉末放到预热过的压铸模具中,然后浇注高温金属液,接着在金属液面上直接施加压力使金属液渗入预制体或粉末层中。压力铸渗的优点是增强颗粒与金属液的润湿角,润湿角即使大于90°,金属液仍能够渗透预制块,但由于铸渗法采用的基体金属多为铸铁或铸钢,并且是高温金属液,实际操作起来有一定的难度和制约性。

  3.5自蔓延(SHS)离心铸渗工艺

  自蔓延(SHS)离心铸造法制备金属-陶瓷复合材料是一种简单,迅速,成熟的方法。在离心力作用下的氧化热还原反应是SHS离心铸造的基本原理。

  这种方法的工艺<5-7>过程是:将强还原性元素(如Al)

  与可还原金属氧化物(如Fe2O3)构成的粉状氧化热还原混合物按一定的比例混合均匀,放入离心浇注后的金属管内,使金属管绕轴线转动,粉状反应混合物在离心力作用下沿金属管内壁形成一压紧层。用电弧或钨丝点燃混合物后,使其进行自蔓延(SHS)

  反应过程,熔融金属在离心力的作用下与熔融氧化物分离,形成中间层,而熔融的氧化物在离心力的作用下形成最内层,整个体系冷却后,钢管内形成层状的金属层和陶瓷氧化物层。用这种铸造工艺法主要制备管状类型零件的复合表面材料。

  4研究及应用

  20世纪90年代以来,铸造表面合金化的研究受到普遍重视,取得了长足的进步。其中针对普通砂型铸渗法展开的理论研究主要有魏世忠<8>等采用自制的合金粉末(6.9%C+3.5%Si+60%Cr+10%W+其余铁)对ZG45铸钢进行了表面铸渗研究,结果表明,在铸渗过程中,合金化铸渗层的形成主要是母材ZG45钢液向涂料层浸渗,合金粉末熔化,随后与渗入钢液混合并进行元素扩散,最终凝固结晶,获得良好结合的表面合金化层,铸渗表面合金化的表面,次表面有大量块状,条状的M7C3和鱼骨状的Fe3W3C,使钢基表面具有了高硬度,高耐磨性。严有为<9>等研究了铸渗涂料中各组分及浇注温度对铸渗合金层性能的影响,得出了铸渗工艺温度应大于1400℃时的最佳铸渗涂料配比。

  王冬等以实现灰铸铁表面高铝硅耐热合金化为目标,应用离心铸渗技术获得了以元素铝,硅为主要组元的耐热表面冶金化层,其920℃的抗高温氧化能力为灰铸铁基材的15~17倍,应用该技术生产的新型熔铝铸铁坩埚的使用寿命是传统方法生产的同材质坩埚的3~5倍。河南科技大学宋延沛<10>等用离心铸造制备出复合表层为18~25mm的WCp/Fe-C复合材料成功应用于辊环,复合材料辊环表层和基体硬度分别达到63~65HRC和50~55HRC,大幅度降低了成本,提高了零件的使用寿命。

  兰州理工大学的宋文明等<11>采用负压力铸渗工艺,在铝青铜表面铸渗了1~3mm的Al2O3渗层,并分析了预热温度,浇注温度,负压度,涂层厚度等对渗层的影响,得出了铜合金在浇注温度1200~1220℃,负压度0.04~0.06MPa,预热温度150~170℃,涂层厚度2~3mm以及使用自制的粘结剂NJB时表面质量最好。

  阎峰云等<12>采用V-EPC法对45号钢表面进行了Ni基合金的铸渗处理,探讨了铸渗表面质量及合金层的显微组织特征,结果表明,当铸渗工艺设计合理时,Ni基合金粉能很好地熔于基体材料,合金层与基体材料结合良好,未见宏观及微观裂纹。周永欣等采用V-EPC铸渗工艺,制备出复合良好的SiC颗粒增强Q235钢基表面复合材料,研究结果<13>表明:其冲蚀耐磨性比Q235钢提高1.3倍以上。西安交通大学祁小群等采用V法铸渗法成功制备出WC颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料喷射口衬板,研究结果表明<14>:颗粒的体积分数可达52%,界面致密,组织中无夹渣,裂纹等缺陷,复合材料的三体磨料磨损性能是高铬铸铁的5.1倍,衬板的使用寿命是原来的3.5倍。

  Ding-FwuLii<15>等人利用压力铸渗法制备AlN增强铝基复合材料。预制型的成分是AlN,其制备过程是:首先将AlN粉末在40~50℃干燥5h,将粉末放入模具中在不同的压力下预压成型,然后在有氮气的保护气氛下烧结使其具有一定的强度以保证在铸渗时不变形或发生位移,烧结温度为1600℃,结果表明AlN颗粒分布均匀,其硬度及其耐磨性比基体提高3倍以上。

  中国民航大学纪朝辉等<16>利用自蔓延高温合成(SHS)粉料(Ti粉,C粉,Al粉,Fe粉),在消失模铸造中成功制备出在钢基表面形成的Ti/Fe自生复合材料层,表面复合层硬度可达54~59HRC.吉林大学赵玉谦<17>等人将碳化后的稻壳,用高能球磨机磨制成纳米C粉。采用Al粉-Ti粉-C粉,用球磨机混4h,混匀后制成预制块,经300℃真空除气处理,放入铸型的特定部位,浇入高温钢液,在高温钢液的引燃下预制块发生SHS反应,结果制取了TiC颗粒增强钢基铸造复合材料。销盘磨损试验表明,耐磨性比钢基体高3~6倍。东南大学严新炎等<5>用SHS离心铸造法成功地制取了长达4m的金属-陶瓷复合管,这些高质量的金属-陶瓷复合管已在某些工业领域中获得成功应用。

  5问题及展望

  到目前为止,无论是国外还是国内,铸渗过程中遇到了许多问题,如渗透能力差,气孔,夹渣,渗层深度不均匀,表面粗糙度高等问题,这些问题制约了该工艺的推广和应用。为了进一步提高铸渗品质,扩大应用领域,开发出新型铸渗材料,应注意以下几方面的研究。

  (1)铸造界面的研究界面包括宏观上复合层与基体之间的过渡层,也包括微观上增强颗粒与基体的接触表面。好的界面结合状态可以有效地传递载荷和能量,防止增强颗粒在冲击或剪切力作用下脱离工件表面,甚至是复合层的剥落。在铸渗过程中固相材料与液相金属之间存在质量,能量和动量的传递,并发生一系列物理,化学和力学作用,液相金属对固相的润湿,吸附和反应等界面现象对铸渗品质有着重要的影响,因此从热力学,动力学,传输理论及合金化理论出发,研究两相界面的物理化学相容性和两相相互作用的过程,以及由此产生的界面结构和界面结合等,对于稳定铸渗工艺效果,设计与开发新的铸渗材料,控制铸渗层的品质都有十分重要的意义。

  (2)铸造凝固过程的研究由于铸造复合材料在凝固过程中,其温度场和成分浓度场,晶体形核,长大的热力学与动力学条件发生了更为复杂的变化,致使铸渗层的结晶凝固行为以及显微组织结构都与基体组织有较大差异。所以为了研究铸渗机理,进一步提高铸渗品质,应加强铸渗层内基体组织形成过程,新增相对形核和生长的影响,"铸渗层/基体金属"过渡层凝固行为以及物理冶金学特性等的研究。

  (3)铸造过程的数值模拟研究<18-22>由于金属铸造过程中影响铸渗层质量的工艺参数较多,而且许多工艺参数还彼此关联,对这样一个复杂过程,如果采用实验的方法来研究工艺因素变化对铸渗层质量的影响,则难度大,费用高,且有一定盲目性,而数值模拟方法可以很好地解决这一问题。因此,采用更有效的手段,加大在铸渗机理,铸渗工艺以及铸渗过程的数值模拟等方面的研究力度,以克服在铸渗层形成机理,具体铸渗工艺制定(如浇注温度和粘结剂选择,熔剂种类和数量确定等)和数学模型建立等方面存在的不足将是今后一段时间研究的侧重点。

  (4)铸造表面合金化和工艺参数的研究表面合金化的效果对工艺参数的变化较敏感<23>。在金属铸渗时,要想减少铸渗层中形成的气孔,夹渣和粘砂等缺陷<2,23>,获得质量稳定可靠的表面合金化效果,必须有良好的设备条件和严格的生产工艺措施,但这会使成本增加,操作复杂。

  (5)生产应用的研究铸造表面合金化应用的研究和铸渗研究的成果已经应用于工程领域,但生产工艺控制仍须进一步加强。在推广应用方面,为了得到理想的复合材料性能和稳定的工艺保障,就必须努力解决现存的问题,找出控制增强颗粒在铸造过程中与钢铁基体反应,溶解,扩散的方法,掌握凝固理论和相关铸渗机理,进而控制复合材料的性能。

  6结束语

  铸造表面合金化技术,能够把金属材料的强韧性与强化成分的高硬度,高刚度结合起来,使零件的整体性能得到改善,且其工艺简单,成本低廉,不仅可以在航天航空工业上应用,也可以在汽车,矿山机械制造等民用工业上应用。可以相信,表面合金化技术在耐磨,耐蚀,耐热复合材料制品生产方面将具有极广阔的前景。


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