金属基复合材料实型熔铸颗粒强化技术的研究.pdf
金属基复合材料实型熔铸颗粒强化技术的研究金属基复合材料实型熔铸颗粒强化技术的研究引言：本课题创造性地提出熔铸技术与实型铸造相结合的技术路线，摒弃了常规的铸渗手段1,2,3（涂料法，膏块法，被覆法及 V 型法），突破性地将高性能合金粉末或颗粒在实型铸模的表层作弥散处理，从而在实型铸造过程中实现合金迅速释放、及时熔铸扩散，具有复合材料层合金浓度均匀，复合层与基体结合牢固，厚度可控，复合层合金“处方”化，铸件表面光洁度高，无气孔，无夹杂等一系列优点4，5，我们把这种技术称为“实型熔铸颗粒强化新技术”，实践证明，此技术完全可以生产出双金属材料或表层呈层状梯度分布的复合材料铸件。“实型熔铸颗粒强化新技术”经过了三个阶段的摸索，逐渐实现了技术上的突破，最终取得了理想的效果。这三个阶段分别是：1将常规的涂料法、膏块法应用于实型铸造；2将合金粉末填充于消失模表层内部孔洞，进行实型铸造；3将合金粉末在消失模表层做弥散处理，进行实型铸造。在第一阶段，由于实型铸造内部负压，相应的涂料法、膏块法的结果均优于常规的涂料法、膏块法；但仍存在夹杂、熔不透等缺陷；第二阶段，我们放弃了涂料法、膏块法中的粘结剂、稀释剂、及成型剂、造渣剂，而直接将合金粉末置于消失模表层内部，的确消除了夹杂、熔不透等缺陷，但由于合金粉末都集中在孔洞中，出现了偏析现象，表现为组织不稳定，甚至有合金粉末彻底熔化现象；最后，为了消除偏析，我们将合金粉末在消失模表层作了弥散处理，果然达到了理想效果，表现为复合材料层厚度均匀，组织稳定，无任何铸造缺陷，铸件表面光洁度高，性能优越。项目组对此技术进行了深入透彻的研究，在对技术细节充分考虑的情况下，设计了一系列试验方案，逐渐掌握了此技术的关键影响要素。1.实验材料与方法11 消失模的制备实型铸造中的铸模称为消失模，或汽化模，主要成分为聚苯乙烯，其成型方式有两种，一种为为聚苯乙烯珠粒预发泡、熟化、发泡成型，另一种方法为聚苯乙烯性材料加工而成。要实现合金粉末或颗粒在消失模表层的弥散化，必须控制颗粒的发泡大小，吹入蒸汽的同时夹入合金粉末。本课题中，消失模的制备专门委托厂家定做，要求泡沫塑料颗粒大小在R2mm 左右；合金粉末在200目左右，最粗不超过100目，最细不小于400目，发现合金粉末主要弥散分布于珠粒间界面，有的合金粉末进入成熟珠粒内部。12 材料的选用及熔铸试样设计基体材料选用最常见的铸铁材料 HT200，其成分为表1；合金成分以高纯度的硼铁合金粉末为主，其化学成分为表2：为考察熔铸效果，同时考虑形状简单，熔铸试样（消失模）采用两种样式：一种为平板式，另一种为立方体。浇注位置分别设计为卧式与立式。2实型熔铸颗粒强化技术中工艺参数试验实型铸造过程是一个模型汽化、金属液快速填充并行的过程，其中产生的大量气体由于内部负压而排出砂型，因此要求浇注温度比一般铸件稍高，浇注过程中始终保持负压稳定，浇注后一段时间仍要保持一定的负压。模型汽化后合金颗粒直接释放到基体母液中，不存在“熔不上”的问题，由于浇注的母液是流动的，局部的液体波动会促使合金粉末与基体母液混合充分，加速合金粉末的熔化、扩散，这样就会形成浓度均匀、性能稳定，呈梯度分布的复合材料层。当然，如控制不当，也会造成合金成分过渡扩散，浓度降低导致复合材料层性能变差。因此要求有一定的合金浓度，一定的浓度分布梯度，且厚度适宜。如基体体积过大，液体保持时间会延长，这样会导致复合材料层合金浓度大大降低，复合材料层性能也会变差，这时应采取复合材料层表面设置冷铁等激冷措施，减少扩散时间，促使复合材料的凝固形成。因此为保证复合材料层的性能，需要考虑的工艺参数有：（1）铸型的浇注位置对复合材料层的影响（2）合理的实型熔铸工艺设计（浇道的安排，尽量减少对复合材料层的冲刷及波动，保证液面平稳上升。）（3）合金层的厚度与铸件当量厚度之比（4）合金的颗粒化大小、母液浇注温度的影响（5）型砂粒度的影响（6）负压的大小及保持的时间。为此，我们设计了一系列的试验，以考查这些因素对表层复合材料层的影响。实验数据见表 3。21 铸型的浇注位置对复合材料层的影响铸模尺寸：一为平板型 3080150（mm3）；二为立方体 100100100（mm3），合金层厚度均为 10mm。平板型采用两种浇注位置：一为卧式，即平放浇注，合金层为侧部；一种为立式，合金层为侧部、顶部，浇道均为底注式。对于立方体铸型，合金层分别位于侧部和顶部。示意图见图 1：从上表可以看出，复合材料层位于侧部，一般性能相对较好，但结合面由于液体波动剧烈，底部厚度较宽，显微硬度也稍有下降；位于顶部的复合材料层厚度相对较宽，结合面平整且界面明显，这可能与顶部液体波动不大，但凝固速度慢有关系。两者均无铸造缺陷，光洁度较高。总之，复合材料层位于侧部、顶部均较理想。曾做过复合材料层在底部的试验，证明这种浇注位置很差，原因在于合金粉末受到母液冲刷，大多卷入到基体中心，故不应采纳。22 合理的熔铸工艺设计主要影响因素应考虑浇道的设置，原因在于在基体母液的浇注过程中，由于铸模的汽化，液体波动剧烈，应避免母液直接冲刷复合材料层，减少基体母液的波动对复合材料层的影响，保证液面的平稳上升。试样设计为立方体模型，浇道设计为两种，一种为底注式，一种为顶注式。见图2试验证明：顶注式浇注远远差于底注式，而且复合材料层性能不稳定。可见浇道的位置很关键。23 合金层的厚度与铸件当量厚度之比试验证明当合金层的厚度与铸件厚度之比在 102之内获得的复合材料层较为理想；在 510，2030 内合金层基本满意，在30 情况下，要采取措施加速合金复合层的凝固，见表 5。24 合金的颗粒大小及母液的浇注温度母液浇注温度应根据铸件的大小作调整，如铸件很大，则应适当降低浇注温度；如铸件小、薄壁，或有冷凝关键部位，应适当提高浇注温度。正常情况下，如合金层偏厚，应适当提高浇注温度，如偏薄则应适当降低浇注温度。同理，合金的颗粒大小对复合材料层也有着较大的影响见表 6。可以看出合金粉末应选用 200300 目左右；400目，由于浇注过程中，有大量的气体产生，合金粉末有时氧化严重，造成夹杂。这一因素应根据实际情况加以调整。第 5、6 条影响因素只要能在实型铸造允许的技术范围内，对复合层性能影响不大。（数据略）3.金属基复合材料组织特点实型熔铸颗粒强化技术获得的复合材料层完全不同于化学渗硼获得的组织（见表层复合材料断面图）。表层复合材料从表面向基体组织变化呈现出不同的层次，其厚度可达 10 多毫米。表层为化合物层，由块状的 FeB 和沿晶界分布的少量共晶组织A+Fe2B（图 1a 左侧）；第二层为过共晶区，组织为细的长白条组织初晶，其间分布着两共晶组织，即菊花状共晶和鱼骨状共晶（图 1a 右侧）；第三层为共晶区较薄，为两种类型共晶组织的混合物；经 XRD 并结合相图分析，这两种共晶组织组成相同，均为A+Fe2B；第四层为亚共晶区，为表层复合材料与基体间的过渡层，其组织为珠光体鱼骨状共晶（图 1b），经 XRD 分析，发现亚共晶区中的鱼骨状共晶和过共晶、共晶层的共晶组织并不一样，为莱氏体即A+Fe3C。金相观察，亚共晶组织与基体的交界处出现石墨，石墨片短而粗大，数量少，基体中的石墨片细小且密集，这可能是硼促进石墨化的结果，见图 3。4.金属基复合材料层性能特点利用铬氏硬度计测定表层复合材料及基体界面的硬度，其硬度分布见表 6。结果表明，本试验得到了与基体具有良好冶金结合、组织与硬度呈梯度过渡的表层复合材料。通过表层复合材料与高铬铸铁的滑动磨损对比试验显示:复合材料的化合物层和过共晶层及共晶层的耐磨性优于高铬铸铁,亚共晶层耐磨性低于高铬铸铁。通过与基体材料相对比的抗高温氧化试验显示:表层复合材料在 700以下具有优良的抗高温氧化性能。5结论试验数据表明，实型熔铸颗粒强化技术的关键要素为：（1）将合金粉末在消失模表层做弥散处理，必须控制颗粒的发泡大小，吹入蒸汽的同时夹入合金粉末，颗粒大小在 R2mm 左右。（2）浇注位置复合材料层位于侧部及顶部较好，底部效果最差。（3）浇注应尽量采取底注式，避免基体母液直接冲刷复合材料层，保证液面平稳上升。（4）合金粉末应选用 200 目300 目左右能获得较好的表层复合材料；400 目，合金粉末有时氧化严重，造成夹杂。（5）合金层的厚度与铸件厚度之比在 1020 之内合金熔化良好，获得的复合材料层较为理想；在 510、2030 内合金层基本满意；在30 情况下，要采取措施加速合金复合层的凝固。表层复合材料组织由表及里依次为化合物层、过共晶层、共晶层、亚共晶层、基体组织。化合物层组织为 FeB 初晶沿晶界分布的少量共晶；过共晶组织为初晶Fe2B共晶组织，共晶组织有两种形态：菊花状和鱼骨状；共晶层较薄，其组织主要为鱼骨状共晶；亚共晶组织为初晶奥氏体莱氏体。过共晶区，共晶区的菊花状和鱼骨状组织都是Fe2B奥氏体共晶，其中奥氏体在继续冷却过程中转变为Fe3（Si，B）铁素体共析组织。金属基复合材料层与基体具有良好冶金结合，组织、硬度呈梯度分布，表层复合材料有优良的耐磨和抗高温氧化性能。
