（材料加工工程专业论文）v—epc制备铁基表面耐磨复合材料.pdf

摘要 论文采用v e p c 铸渗法成功制各了低铬铸铁、灰铁基w c 颗粒增强 表面复合材料，此工艺复合效果好，复合材料尺寸精度高，表面质量好。 最适合于该工艺的耐火涂料配方为：1 0 0 石英砂；4 钠质膨润土；3 n a2 c 0 。( 占膨润土量) ；2 5 白乳胶；0 5 c m c ；0 0 5 十二烷基苯磺酸钠； 0 0 2 正辛醇。适合该工艺的颗粒粘结剂为质量分数为6 的p v a 水溶液， 最好的浇注方式为底注，并且在铸渗层合金粉末中不使用n a f 熔剂。w c 在复合层内分布均匀，无聚集成团现象，过渡层平缓。基材与铸渗层之 间无夹渣或气孔缺陷，为冶金结合。在铸渗过程中，母液往铸渗层渗透 能力很强，合金元素向基材也有扩散，但量很少。复合层组织为：w c 、 w 2 c 、屈氏体、m 7 c 3 、m 2 3 c 6 、m 6 c 、m 12 c 等碳化物。 论文研究了浇注温度、抽气时间、w c 颗粒大小、w c 体积分数、壁 厚、基材等因素对复合材料复合层表面质量的影响规律。尺寸精度研究 结果表明：复合位置为底面时尺寸精度最高，局部壁厚公差等级达到 c t 5 8 级，复合位置为侧面时较差，顶面时最差。同时还得出，随着w c 体积分数的减小，尺寸精度有所提高。但总体上来看，铸件表面涂覆的 颗粒层对v e p c 铸渗法制备的复合材料铸件尺寸精度影响不大，复合材 料铸件的尺寸精度仍属较高水平，可以满足承受磨料磨损的铸件对精度 的需要，对要求不太高的零件甚至可以直接使用。 沦文还成功设计、制各了一台三体磨料磨损实验机，并做了三体磨 料磨损实验机的重现性实验，实验结果表明，本实验机的测试性能是可 靠的。磨损试验结果表明：复合材料的三体磨料磨损性能与高铬铸铁相 比有明显地提高，最高可以提高到8 6 5 倍，且随着载荷和w c 颗粒体积 分数的增大，复合材料耐磨性呈升高趋势。磨损机理为w c 对周围组织的 屏蔽作用，即“阴影效应”，失效方式为w c 颗粒因疲劳而片状剥落。 关键词：表面复合材料 v - e p c尺寸精度三体磨料磨损 a b s t r a c t w i t hv - e p cc a s t i n g p e n e t r a t i n gt e c h n o l o g i e s ，w cp a r t i c l e sr e i n f o r c e d 1 0 wc h r o m i u mc a s ti r o na n dh t 30 0s t e e lm a t r i xs u r f a c e l a y e rc o m p o s i t e s w er es u c c e s s f u l l yg a i n e di nt h et h e s i s t h ec a s t i n gp r o c e s sw a so p t i m i z e d ， t h ec o m p o s i t e so b t a i n e dh a v eah i g hd i m e n s i o np r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c e q u a l i t y t h es o u n dc o a t i n gf o re p ci sc o m p o s e do f ：1 0 0p e r c e n to fq u a r t z s a n d ，4p e r c e n t o f n a s u l f u r y lb e n t o n i t e ，3p e r c e n t o f n a 2 c 0 3 ( o f n a s u l f u r y lb e n t o n i t e ) ，2 5p e r c e n to fw h i t e - l a t e x ，0 5p e r c e n to fc m c ，0 0 5 p e r c e n t0 ft w e i v ea l k y lp h e n y ls u l f o n i cn a t r i u m 0 0 2p e r c e n to fo r t h o0 e t a h y d r i n ，a n d t h eb i n d e ri s 6 p v a ，n a fi s e x c e p t ，t h ep e r f e c tp o s i t i o no f p o u r i n gi s a tt h eb o t t o mo fc a s t i n g w ci se v e ni nc o m p o s i t e s t h eb i n d i n g b e t w e e nc o m p o s i t e sl a y e ra n dm a t r i xi s e x c e l l e n t ，w h i c hi sm a t e l l u r g i c a l b i n d i n g b e t w e e nt h em a t r i xa n dc o m p o s i t e sh a sa ne v e ni n t e r f a c ea r e aw i t h t h e s u b s t r a t e ，w i t hg o o db o n d i n gs t r e n g t h d u r i n g t h e p r o c e s s o f c o m p o s i t e ，i tism a i n l yt h eo s m o s i so fi r o nl i q u i d ，a n da l l o y i n ge l e m e n ta l s o o s m o s i z e st om a t r i x ，b u tt h eq u a n t i t yi s v e r yl i t t l e t h em a t r i xs t r u c t u r eo f c o m p o s i t i o ni sw c 、w 2 c 、m 7 c 3 、m 2 3 c 6 、m 6 c 、m 1 2 cc a r b i d ea n dt r o o s t i t e t h e p a p e rs t u d y t h ei n f l u e n c e r e g u l a r i t y f o rt h es u r f a c e q u a l i t y o f c o m p o s i t eo np o u r i n gt e m p e r a t u r e ，e x t r a c t i o nt i m e ，w cp a r t i c l es i z e ，w c v o l u m e f r a c t i o n ，p a r i e t e st h i c k n e s s ，b a s em a t e r i a l ，a n d s oo n t h e d i m e n s i o np r e c i s i o ns t u d yi n d i c a t ew h e nt h e p o s i t i o no fp o u r i n gi sa tt h e b o t t o mo fc a s t i n g ，t h ed i m e n s i o n p r e c i s i o ni sg o o d ，t h eg r a d ei sc t 5t o c t 8 ，w h e na tt h es i d ef a c eo fc a s t i n g ，t h ed i m e n s i o n p r e c i s i o ni sa v e r a g e ， a n dw h e na tt h et o po fc a s t i n g ，t h ed i m e n s i o n p r e c i s i o ni s d i f f e r e n c e a t t h es a m et i m e ，t h ed i m e n s i o np r e c i s i o ni n e r e a s e sw i t hd i m i n u t i o no fw c v o l u m ef r a c t i o n b u tf r o mt h e m a s s i n g ，t h e e f f e c to nt h ed i m e n s i o n p r e c i s i o no fc o m p o s i t e su s i n gv - e p cf o rp a r t i c l el a y e rc o a t e di n c a s t i n g s u r f a c ei s l i t t l e ，a n dt h ed i m e n s i o np r e c i s i o nr e m a i nw i t hh i g hl e v e lw h i c h c a ns a t i s f yt h en e e do n p r e c i s i o nf o rc a s t i n gr e s i s t i n ga b r a s i v ew e a ra n d s o m ec a s t i n g so fn e e d i n gl o w p r e c i s i o ne v e nd i r e c t l yi su s e d t h et h e s i s d e s i g n e ds u c c e s s f u l l y a n dp r o d u c e da t h r e e b o d y a b r a s i v e w e a rt e s t e r ，a n dc o n d u c tr e p r o d u c i b i l i t ye x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t i n d i c a t et h et e s t e re x h i b i t e d g o o dr e p r o d u c i b i l i t y t h e w e a r e x p e r i m e n t r e s u l ti n d i c a t e t h r e e b o d y a b r a s i v ew e a r p e r f o r m a n c e i si n cr e a s e d s i g n i f i c a n t l y ，w h i c h i n c r e a s e d u p m o s t 7 6 5 t i m e s ，c o m p a r e dw i t hh i g h c h r o m i u mc a s ti r o n a n dt h ea b r a s i v ew e a rp e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t e si s i n c r e a s e dw i t ha c c r e t i o n0 fs t r e s sa n dw cv o l u m ef r a c t i o n a b r a s i v ew e a r m e c h a n i s mi ss h i e l do fw ct oo t h e ro r g a n i z a t i o n ，s h a d ee f f e c t ，a n df a i l u r e p a t t e ri sf l a k ye x f o l i a t i o no fw c f o rf a t i g u e k e y w o r d s ：s u r f a c ec o m p o s i t e s ；v e p c ；d i m e n s i o n p r e c i s i o n ；t h r e e b o d y a b r a s i v ew e a r y 6 6 8 9 9 6 昆明理工大学学位论文原创性声名 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡 献的个人和集体，均以在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明 所引起的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：荔彳协易 同 强j 易”弘年 其心日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印或其它复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名： 论文作者签名鲤 日期：立里左年2月 讧 日 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1选题背景 现代工业的发展对材料的耐磨性要求越来越高，冶金、矿山、建材、电力、 化：j ：、煤炭和农业等部门需要各种破碎粉磨设备、矿山机械、工程机械和农业机 械，这些设备的易损件要受到砂石、矿石、土壤等各种物料和研磨体的磨损，每 年要消耗大量金属。根据不完全统计，能源的1 3 1 2 消耗于摩擦与磨损；对 材料来说，约8 0 的零件失效是由磨损引起的i t 【2 】 3 1 ，其中因磨料磨损而失效的约 占5 0 【4 】，在冶金、矿山、建材、电力、化工、煤炭、农机等行业，其磨损占生 产成本较大的比例，如矿山碎矿、磨矿过程中所消耗的耐磨材料占其选矿成本的 一半。据中国金属材料委员会统计，1 9 8 6 年我国仅在冶金矿山、水泥、电力三大 行业中，因磨料磨损导致失效的铸件就达1 4 5 万吨，占我国当年钢铁总产量的3 左右【5 】，而云南省是冶金、建材、火电、化工企业较多的省份，有着丰富的有 色金属矿产资源，其每年消耗的各类主要耐磨件据云南省耐磨耐蚀耐热材料协会 1 9 9 4 年统计消耗总量达8 万吨，价值2 5 亿元。而包括所有磨损形式在内，云南 省耐磨件年消耗总量在1 4 万吨以上，价值约5 亿元以上。随着云南省这几年将有 色金属开采加工、磷化工作为四大支柱产业之一来发展，云南省每年所消耗的耐 磨材料也将大大增加。 复合磨损工况是指磨损与腐蚀并存或磨损与高温并存，两者交互作用，加剧 了零件的磨损失效。这一类工况广泛存在于冶金、建材、矿山、火电、化工等行 业中，如矿山使用的各种杂质泵，其过流部件在承受磨损的同时又受到介质的腐 蚀，使用寿命极短；又如选矿各种精尾矿输送、化工厂废渣排放的管道，均受物 料磨料磨损和腐蚀介质腐蚀的双重作用；立式水泥窑卸料塔，需承受磨料磨损和 高温的双重作用；钢铁行业中轧制所需要的导位板，也是承受磨损和高温的双重 作用。这些复合磨损工况条件下使用的零部件的数量是惊人的，以砂泵和杂质泵 为例：9 8 年仅全国有色金属行业消耗的过流部件达5 8 7 万吨。据云南省耐磨材料 协会统计，1 9 9 4 年全省杂质泵年服役量约为7 5 0 0 台左右，而目前所用杂质泵的过 流部件材料采用合金铸铁、铸钢，其寿命很短，一般使用寿命仅为1 5 3 0 天，有 的甚至不到7 天。全省年消耗杂质泵过流件3 0 0 0 3 4 0 0 吨，这不仅消耗了大量金 属材料，而且由于严重磨损，杂质泵的效率大大降低，能耗增高。同时由于频繁 第1 页 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 更换造成设备乃至生产线停机，大大降低了生产效率。因而每年这一项的经济损 失是巨大的。由此，开发研制一种能在复合磨损工况下使用、寿命长的新材质显 得极为重要。 1 2铸渗法制备金属基表面耐磨复合材料的发展现状 铸渗法源于涂覆铸造工艺，1 9 1 3 年由美国人d a v i s 创立，美国、德国、南非 和f 1 本等国在这方面的研究比较前沿。铸渗工艺主要用于铸件的表面合金化研究 6 - s ，进a 9 0 年代以来，随着国内外复合材料研究的不断深入，又被应用到铸件表 层材料复合的研究和开发中。铸渗法制备钢铁基表面耐磨复合材料就是将合金粉 末或陶瓷颗粒( 如s i 0 2 ) 等预先固定在型壁的特定位置上，通过一次性浇注钢铁 液的方法使铸件表面形成复合层，该复合层具有耐磨、耐蚀、耐高温等特殊性 能。一般来说，这种制备工艺包括普通铸渗制备工艺、v 法铸渗工艺和消失模 ( v - e p c ) 法铸渗制各工艺，其中v - e p c 法是当今大家研究的热门，被称为“第 三代造型方法” 9 】口0 1 。 1 2 1 制备工艺概述 1 2 1 1普通铸渗工艺 在铸渗工艺发展的初期，利用在铸型型腔表面涂刷以合金粉末为主的涂料， 利用液态金属的流渗能力、金属液的余热并使金属液与金属粉末间发生冶金作 用，直接在铸件表面形成合金化层。所以涂料以欲合金化的元素为主，添加一定 比例的粘结剂、催渗剂和固化剂制成。后来又出现了一种以膏块代替涂层的铸渗 方法1 。 但是以上两种方法均需要加入有机或无机粘结剂和熔剂，在液态金属的作用 下，粘结剂或熔剂汽化或渣化，因而易产生气孔和夹渣( 杂) ，降低材料性能。 为了消除这种影响，就产生了取消粘结剂和熔剂的散剂法。如于思荣等采用普通 粘土干砂型或c 0 2 硬化砂型及铬铁加稀土合金改善浸渗性的技术，制成了质量良 好的表面复合材料1 2 1 。 1 2 1 2v 法铸渗工艺 真空密封造型法( 简称v 法) 砂型只用于砂，无需粘结剂，是7 0 年代初铸造 界大发明。其基本原理是：在带抽气室的砂箱内填入单一干砂，稍加微振紧 第2 页 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 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 法铸造铸件表面光洁度好，尺寸精度高，工艺操作简便，适用范围广， 生产成本低。但是，这种方法也存在一个缺陷，即粘砂问题相当严重【1 3 】【1 4 】【1 5 】。 v 法铸渗工艺采用“v 法造型”以局部型腔负压代替系统真空，在型腔内底 面铺覆一层增强颗粒，当钢( 铁) 液浇入时，在型腔底部抽力和钢( 铁) 液的静 压力作用下钢( 铁) 液沿颗粒间隙渗透，从而形成表面抗磨的金属基复合材料。 该铸渗工艺中增强颗粒之间不需要粘结剂进行粘结，从而消除了由于粘结剂的存 在引起的气孔、夹渣缺陷等，但是此工艺只适用于简单表面的复合。孔宪武、张 爱华、董汉君等利用v 法铸渗工艺制备了表面复合材料，并对其做了三体磨料磨 损实验，耐磨性有显著提高【l 6 】。 1 2 1 3 消失模( v - e p o ) 法铸渗工艺 此工艺也叫实型负压铸渗工艺。即用聚苯乙烯泡沫材料( e p s ) 制备试样 模型，将增强颗粒均匀涂覆于试件( e p s ) 需要合金化的表面或将增强颗粒制备 成预制块后固定在需要合金化的表面，然后将模型埋入千砂中，振实后在负压状 态下浇注的一种新工艺，其间抽真空形成负压将泡沫塑料和涂胶汽化中产生的气 体抽走，同时借助真空密封技术，提高金属液的充型能力，有利于金属液在颗粒 问的渗透可以获得更厚更致密的复合层，其工艺流程如图1 1 所示。该工艺简便 实用，不必考虑涂层膏块的安放、固定，可以避免e p c 铸渗工艺中的气孔和夹渣 等缺陷，负压对e p s 和涂胶气化产物的排出十分有效，它是一种精确成型方法， 将复合材料的制备与工程零件的精密成型紧密地结合在一起，可以获得精度高、 质量好的铸件，还可以把工人从繁重的体力劳动和恶劣的作业环境中解放出来， 被誉为“第三代造型方法”【l7 1 。增强颗粒可以采用铬铁、钼铁、矾铁颗粒和碳化 钨颗粒等【1 8 】。 消失模法铸渗工艺研究结合了铸渗工艺和消失模铸渗工艺，因此其影响因素 ：匦受叵h 互亟叵h 巫亘困爿亟团 。爿垂 钷亟基亘b 区亟习爿垂圃 图1 1v - e p c 铸渗工艺流程示意图 弟3 贝 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 与这两个方面密切相关。因此在研究过程中，要考虑涂料、粘结剂、真空度等因 素。夏运锋等利用v - e p c 铸渗工艺，通过向基体中加入s i c 颗粒，应用优化的工 艺设计参数，得到了铁基复合材料，提高了铸铁材料硬度和耐磨性。同时得出了 影响铸渗质量的因素：基体材料、真空度、浇注温度、增强体颗粒粒度( 颗粒间 隙大小) 、增强体颗粒种类、抽真空方向、浇注位置、金属液静压头高度、涂料 及铸件蹙厚和预涂颗粒层厚度等f l 9 】。 1 2 2铸渗机理和铸渗组织的探讨 1 2 2 1 铸渗机理的进展 表面材料复合是金属液与陶瓷或其它颗粒之间的相互作用，通过改变铸造表 层组织而达到提高表层性能的目的。主要存在着金属液对复合颗粒材料的浸润、 渗透，也存在一定程度的界面反应 6 1 ，铸渗层的形成是热力学和动力学共同作用 的结果。沈蜀西等观察了以c r - f e 粉为主、高压成型的合金膏块制造铸渗件所得 到材料的组织。典型的组织分为内层、中间层和外层，组织成分明显不同。铸铁 渗c r 层是靠母液对膏块的热作用和铸渗动力形成的，内层( 熔合层) 组织热作用 最强烈，c r - f e 颗粒完全熔化，与母液的扩散比较充分；中间层( 钎焊层) 组织 由于毛细血管作用，使母液渗透到增强颗粒的间隙中，使增强颗粒溶解、熔化， 并与母液发生互渗，然后冷却结晶：外层组织( 烧结层) 由于距离热源较远，热 量较少，故只能使低熔点金属粘结相融合 2 0 1 2 1 2 2 1 。 有关资料测定的凝固特性曲线表明，当母材金属液凝固时，其平均温度接近 于c r - f e 合金的熔点，因此，在一段时间内，母材与膏块表面层共处于熔融状， 它们之问发生互溶作用，然后结晶凝固，使二者牢固结合在一起。显然，它强调 了热力学条件在铸渗过程中的作用。很少人对铸渗热力学作了研究，研究深度比 较浅，基本停留在理论的推导方面，在理论的验证方面不够深入，不像在原位复 合材料方面研究方面彻底。李元东、阎峰云、李爱萍对v - e p c 法铸渗过程的热力 学进行了研究，提出了热力学分析的条件：泡沫裂解得到的碳、氢2 元素形成还 原性气氛，其中h 2 和h 2 0 高于c o c 0 2 ，故着重讨论h 2 还原金属的热力学可能 性。同时该研究对热力学进行了计算，得出了满足还原性反应条件的最低温度。 文献【2 3 通过对合金粉膏块内外界面上温度变化曲线的测试，计算了膏块在合金 化形成过程中的热扩散率，并对合金层外表面上的温度曲线作了分析，结果表 明，随着浇注温度的升高，膏块内界面最高温度提高，共晶凝固开始和结束时间 第4 页 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 延滞，膏块外界面上温度上升速率增大，并且所能达到的最高温度升高，对应的 时阿提前。同时还得出随着浇注温度的升高，铸渗合金层增厚，对应的热扩散率 增大，而合金膏块中的温度只要高于1 0 3 0 ，就能可靠地形成铸渗合金层。 在铸渗动力学方面，有关资料将铸型抽成不同的真空度，可以增加铸渗动 力。随真空度的增加，铸渗层逐渐增加，这说明毛细管作用在铸渗过程中确实存 在【2 “。文献 2 4 】对铸渗动力学进行了研究，导出了铸渗速度和深度的公式，指出 提高浇注温度和增大真空度是增加铸渗深度的2 种有效措施。李晓桥、王建明、 王玉环对铸渗成形过程利用直接差分法进行了模拟，建立了简化的凝固模型，在 铸渗工艺设计中的技术参数预选提供了参考口5 1 。黄岳山、李文芳、蒙继龙等对液 态浸渗法制各复合材料的压渗动力学过程提出了一种动力学模型，获得了挤压时 间与液体温度和压力时间的关系，对铸渗动力学研究提供了借鉴性的参考 2 6 1 。纪 朝辉等利用图1 2 对铸渗过程进行了推导得出：阱1 钢液铸渗量q 为： q = 8 lq 【( p + pg h p 渣) r 4 2 r 3 o c o s 0 】( 式1 1 ) 其中：o 一一钢液与渣液间的界面张力 p 。q 一一钢液通过浇道与大气相通产生 p 。一渣液内部压力( 包括型腔反压力、溶剂阻力等) p 一一钢液密度h 一一液面高 0 一一润湿角r 一一铸渗孔径 l 一一液柱高f i 一一动力粘度 图1 2 铸渗推动力分析示意图 第5 页 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 1 2 ，2 2铸渗组织 在铸渗法制备钢铁基表面复合材料的组织方面也有许多研究。 张晓玲等对铸铁基表面铸渗硼复合材料的表层组织进行了分析。结果表明， 表面化合物层由f e z b + 共晶组织组成，共晶组织为f e z b + 奥氏体，奥氏体的最终 转变产物为f e 3 ( s i b ) + 铁素体【2 8 。 许多文献都研究了v - e p c 法制各钢铁基复合材料的组织，一般认为该组织从 表层到心部大致可分为复合层、过渡层和基体三部分。复合层和过渡层的组织特 征均为增强颗粒分布在基体上，但过渡层组织中增强颗粒的含量较低，并逐渐过 渡为基材组织。颗粒与基体的结合属于冶金结合，具有较高的结合强度和耐磨 性。 1 2 3铸渗法制备钢铁基表露耐磨复合材料研究新进展 1 2 3 1 改善液态金属与固相材料表面润湿性的工艺措施 影响铸渗层质量的主要因素有：合金化涂层( 或增强相锒嵌块) 的组成及其 配制工艺、母材的合金分类、铸渗工艺参数等。其中，改善液态金属与涂覆层表 面的润湿性，一直是铸渗研究中的1 个重要课题。在铸渗表面合金化研究初期， 人们大多数以提高铸钢( 铁) 件的耐磨性能为主要目的，采用的合金化组元主要 是铁合金( 铬铁、硼铁等) ，润湿性问题不是很突出。但当研究用铝作表面合金 化元素来提高铸钢( 铁) 件的耐热性能时，这个问题就突显出来。在铸件表面复 合材料研究中，由于大多采用陶瓷材料作为铝、镁基合金的增强相，润湿问题一 开始就显得十分突出，几乎成了材料复合技术的一个关键。 一般地说，合金元素m g 、c a 、r e 等元素、碱金属元素及v i 和v i a 族元素都 能改变铝与a 1 2 0 3 等固相的润湿性；用脱水四硼酸钠处理s i c t 2 9 1 ，用酒精或其它 有机溶剂处理t 4 c t 3 0 1 ，用氟盐处理s i c t 3 0 l ，都能改善铝液或镁液对陶瓷材料的润 湿性。王恩泽等用c v d 法在陶瓷颗粒表面获得t i n i 涂层，t i n i 涂层可在小粒度氧 化铝颗粒的条件下获得较大的铸渗复合材料层阱j 。文献【3 2 】用自制化学气相装置 在a 1 2 0 3 颗粒表面获得了较均匀的n i 涂层。n i 涂层可在小粒度a h 0 3 颗粒的条件 下获得较大深度的铸渗复合材料层。a 1 2 0 ，颗粒表面的n i 涂层的存在，使在即使 很小的颗粒间隙中也能充满耐热钢液，从而使颗粒能得到基体的牢固支撑，改善 了复合材料的使用性能。该研究得到的复合材料在9 0 0 的耐磨性是合金白口铁 的6 6 倍。 第6 页 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 除此之外，超声波清洗、真空预热处理、对固体颗粒进行加热处理、固体颗 粒表面覆膜、化学反应( 如在铸渗时使用一些铸渗剂) 等也是改善增强颗粒与金 属液润湿性的有效措施f 3 3 1 。 1 2 3 2提高金属液渗透能力的工艺措施 合金液对合金化涂层或复合锒嵌块的润湿性反映了金属液渗入的热力学条 件，为了进一步强化金属液对涂覆层的渗透，还可以采用向液体施加外力的方 法。这类外力可以是外加的正压力、负压力，还可以是超重力( 通过离心力场或 振动等方法获得) 【3 3 1 。 周贤良等提出一种制备颗粒增强铝基复合材料的新方法一无压渗透法。即在 空气气氛下，使用特殊的催渗剂，使铝或铝合金自动渗入颗粒填料中，可省去气 氛控制的一系列设备，形成高性能的复合材料。无压渗透法复合材料的形成经过 了截留空气的逸出和反应消耗、颗粒间空隙中出现负压、铝液吸入等过程。铸渗 剂的选择是该工艺的关键【3 4 1 。张晓玲等也成功地使用无压渗透法制各了灰铸铁基 表面复合材料，复合层达到8 r a m 3 ”。 除此之外，在研究过程中，还出现了一些新方法，如于思荣等用取消粘结剂 和熔剂的新方法一散剂法，采用普通粘土干砂型或c 0 2 硬化砂型及铬铁加稀土合 金改善浸渗性技术，制备了质量很好的复合材料 3 6 1 。房文斌等提出了泡沫陶瓷过 滤器过滤净化液态金属的机制，确定了过滤效率的方程式。实验验证泡沫陶瓷过 滤器通过滤饼机制、表面效应及整流效应，能够有效去除液态铸造合金中的夹杂 物，提高铸造合金的力学性能【3 7 】。因此在研究铸渗法制备钢铁基表面耐磨复合材 料时，浇注前可以使用泡沫陶瓷过滤器，以便液态金属得到净化。 1 2 4铸渗表面耐磨复合材料应用新发展 随着铸渗法制备钢铁基表面耐磨复合材料方面理论研究的逐步深入，9 0 年代 以来，在应用研究方面也取得了长足的进步。m e e h e l 通过铸渗工艺在钢锭模上形 成了0 2 0 6 m m 的铝合金化热涂层，使模具高温抗磨损能力提高了7 2 0 3 8 1 。 g u r i n 利用表面孕育和表面合金化技术生产各种金属铸模，使寿命提高了3 0 1 0 0 3 9 1 。蒋业华等针对承受严重冲蚀磨损的渣浆泵过流件，采用砂型负压铸渗 工艺制各了w c 灰铸铁基表面复合材料，结果表明，w c 灰铸铁基表面复合材料 具有良好的微观组织结构和优异的抗冲蚀磨损性能，抗冲蚀磨损性能是c r l 5 m 0 3 高铬铸铁的2 7 倍，砂型负压铸渗工艺可进行大面积异型曲面的复合【4 0 1 。u s k o v 第7 页 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 等进行了铁碳合金铸件的表层材料复合和表面合金化研究，使铸件耐磨性提高了 2 9 倍。 1 2 5 铸渗表面复合材料研究值得重视的几个方向 随着现代工业的发展，对机械产品等各种零部件表面的性能要求越来越高， 要求能在高速、高温、高压、重载、严重摩擦及腐蚀介质等苛刻的工况下可靠而 持续地工作。这就对制造技术提出了挑战，同时也推动了表面材料的发展。 铸渗法具有工艺简单，成本低廉等特点 4 2 】。因此铸渗技术作为制备金属基表 面复合材料的一种新工艺具有广阔的市场应用前景。为了进一步提高铸渗产品的 质量，扩大其工程应用，对铸渗工艺理论与截面理论还需要进一步作深层次的研 究，如铸渗层形成过程的热力学、动力学原理和铸渗层凝固的控制等【3 3 1 。同时还 要注意铸渗表面复合材料凝固过程的研究以及在工程上的应用研究等【4 3 1 1 4 4 1 1 4 5 】【4 6 1 。 无论国内还是国外，都遇到了诸如冲刷、气孔、夹渣、渗透能力差、渗透深 度不均匀、粘砂和表面粗糙度高、不易进行机加工等许多问题，这些问题制约了 该工艺的推广和应用，而且从理论上缺乏更进步的研究和探讨，也阻碍了该工 艺的进一步发展。因此，我们应该采用更加科学的手段，在选择合适的浇注温度 和粘结剂、溶剂的种类及数量等方面进行大量研究，以克服目前存在的困难【3 3 1 。 1 3 磨料磨损的研究现状 1 3 1 磨损的分类 根据欧洲经合组织工程材料磨损研究小组的定义，磨损是表面相对运动使物 体表面的材料逐渐损失的过程。按照b u r w e l l 4 r l 的分类，磨损可以分为粘着磨 损、疲劳磨损、腐蚀磨损和磨料磨损，有关文献曾对各种磨损给材料造成的损失 进行了估算，发现磨料磨损是最严重的，占5 0 左右【4 8 】。因此磨料磨损研究在整 个摩擦学领域里都占据着非常重要的地位，但是磨料磨损比其它的磨损形式要复 杂的多，因此，一些研究人员把磨料磨损做更加细致的分类，截至到现在有两种 划分方法比较值得大家认同：一种是按照材料磨损表面的应力大小分为凿削式磨 料磨损、高应力冁锁式磨损和低应力擦伤式磨损；另一种是根据是否存在第三体 磨料分为二体磨损和三体磨损。而三体磨损在工程领域上非常普遍，但是由于三 体磨料磨损机理比较复杂，研究没有像二体磨损研究深入 4 9 1 。对于二体磨损，其 复杂性远远小于三体磨损，目前已经建立了许多成功的二体磨料磨损的模型。如 第8 页 昆孵理工大学硕士论文第一章绪论 r a b i n o w i z s 删的切削模型，s a d a r a r a j a n 5 1 1 的临界应变模型，s u h 5 习的层剥 理论和z u m g a h r 【5 3 】的犁沟模型等。而对于三体磨料磨损目前仍然缺少较有影响 的模型。 1 3 2 表面复合材料的磨损研究 许多人对表面复合材料的磨损度磨损机理做出了大量研究，蒋业华、周荣、 张玉勤等对采用负压铸渗工艺制各的w c 铁基表面复合材料的冲蚀磨损性能进行 了研究，结果表明：适当的颗粒体积分数( 3 6 左右) 的复合材料因颗粒对基体 保护好，抗冲蚀磨损性能高，较高或较低颗粒体积分数的复合材料因颗粒脱落或 基体磨损严重使其抗冲蚀磨损性能较低f s 钔。许斌、杨胶溪、冯承明研究了灰铸铁 基w c 增强表面复合材料复合层的耐磨性，发现当铸渗剂中w c 质量分数为2 0 时，复合层的耐磨粒磨损性能最佳，甚至超过了由古e 2 b 单相组成的渗硼层【5 5 】。许 大庆、罗吉荣、黄乃瑜研究了复合材料的耐滑动磨损、抗磨料磨损和抗冲蚀磨损 性能及耐磨机理，研究表明：不同磨损条件下的磨损机理有所不同，耐滑动磨损 机理为碳化钨颗粒减轻对磨材料对基体的微切削，抗磨料磨损机理为碳化钨颗粒 对周围组织的屏蔽作用，而抗冲蚀磨损机理为“阴影效应”f 5 6 】。 同时，在三体磨料磨损方面的研究也取得了较大的进步。文献 4 9 1 研究了三 体磨损和- l ：体磨损之间的关系，对于三体磨损模型的建立起到了引导作用。刘峰 壁、谢友柏等研究了磨料粒度分布对三体磨料磨损的影晌，得出结论：存在一最 佳摩擦面综合表面粗糙度巩。值，使系统磨损最小；当摩擦面间距h 大于某一 临界值h c 时，磨损随h 的增大而减小，当h 小于l l c 时，磨损随h 的减小而减小。 对于。较大的摩擦副，当h 小于某一值后磨损叉将随着h 的减小丽增多【s 7 】。吴 国清、方亮等在磨料尺寸对磨料磨损过程的影响进行了随机模拟，将m o n t e c a r l o 方法与数值模拟相结合，提出了一个新的三维仿真模型，运用m o n t e c a r l o 方法随 机选取磨粒的形状参数，采用打靶法生成随机的磨粒西，采用网格剖分法记忆被 磨面的外形，为脊的处理以及磨损量的计算提供了一种新方法，在三维空间内模 拟了多个磨粒同时参与磨损的随机动态磨损过程，将模拟结果与碳钢系列材料的 试验结果以及其他研究者的模拟结果进行了比较，验证了模拟的有效性，系统地 讨论了磨粒的粒度、尖锐度和圆锥度对磨损率的影响，结果表明：粒度、尖锐度 和圆锥度相互影响，共同决定了磨粒的尺寸效应网。武文忠、刑建东、苏俊义研 制了一种高温三体磨料磨损试验机，该试验机可用以模拟研究高温氧化腐蚀和磨 料磨损交互作用，在7 0 0 9 0 0 温度范围内具有良好的数据重现性【5 9 】。 第9 页 昆明理工大学硕士论文第章绪论 1 4 课题的研究意义和内容 1 4 1课题的研究意义 随着现代：卜业的发展，对耐磨、耐热、耐蚀材料的要求越来越高，一般的材 料难以满足要求，需要进行表面处理。铸渗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通过浇注使铸件表面具有特殊组织和性能的一种表面处理和 成型相结合的工艺。该法制备表面复合材料简单易行，无需专用处理设备、表面 处理层厚、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，铸渗法制各表面复合材料受到人们 的青睐。 铸渗法制备表面复合材料，目前主要有以下几种方法：( 1 ) 传统的涂料法、 膏块法； ( 2 ) 真空吸附法；( 3 ) 离心法；( 4 ) 实型铸造法。以上工艺都存在不 足，传统的涂料法、膏块法在砂型型腔内涂覆颗粒较困难，特别是需要大面积复 合的复杂表面，铸件尺寸精度差和表面粗糙度大，涂胶中含有较多的粘结剂和熔 剂，在复合层中易形成熔渣、气孔等缺陷。而真空吸附法利用真空吸附作用将合 余粉朱或陶瓷颗粒固定在铸型壁上，可避免涂料法和膏块法中的气孔、夹渣等缺 陷，使表面质量提高，但需要专门设备，不能生产复杂件。离心铸造法利用离心 作用使强化相均匀分布于型壁并能得到表面梯度复合材料，但只适用于环状零件 的生产。实型铸造法是将颗粒粘结到泡沫塑料颗粒上，经过预发泡成塑料模放入 铸型内，浇注后得到颗粒增强复合材料。此法可生产异型复杂件，但泡沫塑料汽 化产物不易排除，因此寻找一种工艺简单、成本低的能适应规模化生产的铸渗工 艺来制备表面复合材料具有重要意义。 v - e p c 铸渗法是将真空实型铸造工艺利用到铸渗上的一种精确成形方法，它 将复合材料的制备与工程零件的精密成形紧密结合在一起，可以获得表面光洁、 无飞边、近无余量的铸件，这是其它复合材料制备方法所不具备的显著特点。许 多工作者都对该工艺进行了研究，但是都仅仅停留在对制备工艺及复合材料试样 的微观组织和硬度、耐磨性研究水平上，而对于复合材料的铸件成形工艺、表面 质量、尺寸精度分析、铸渗机理尤其在动力学和热力学方面研究较少。 为此，本文将全面系统地研究铁基复合材料的v - e p c 制备工艺、铸渗层组 织、铸渗机理、表面质量、尺寸精度、复合材料的三体磨料磨损性能及磨损机理 第1 0 页 昆明理工大学硕士论文第一章绪论 等，为铁基复合材料走向工程实用化打下基础。本项目的实施具有重要的实际意 义和理论意义。 1 4 2 课题的研究内容 铸渗法制备金属基复合材料最突出的特点是在于将材料制备与成形工艺结合 成一体，针对目前铁基复合材料的研究和应用现状，本文将系统研究陶瓷w c 颗 粒增强铁基表面复合材料铸件的v - e p c 制备工艺及材料的组织与性能，重点开展 以下方面的研究。 ( i ) v - e p c 铸渗法制备铁基表面复合材料的工艺研究； 主要目的是制备出不同颗粒粒度、不同颗粒体积分数复合层品质高的表面复 合材料，将具体探讨到颗粒粒度、颗粒体积分数、壁厚等因素对复合层质量的影 响，优化复合铸渗工艺。 ( 2 ) 设计三体磨料磨损试验机，并考查它的稳定性； ( 3 ) 研究所制备复合材料的微观组织和力学及耐磨性能。 通过对组织和性能的分析测试，为提高复合材料的性能提供依据，从而在优 化的工艺上获得较佳性能的铁基表面复合材料，主要分析研究复合层、过渡区及 基体区的组织变化，测试表面复合材料显微硬度；研究复合材料的三体磨料磨损 性能，并对磨损机理进行深入分析。 ( 4 ) v - e p c 铸渗法制备铁基表面复合材料的铸渗机理研究 通过对不同工艺条件下所获得的复合材料进行微观组织分析、x 一衍射物相 分析以及建立铸渗动力学模型，对铸渗层形成过程作出理论推导。 5 ) v - e p c 铸渗工艺制备铁基表面复合材料的尺寸精度 研究不同体积分数、不同复合位置所制备的铸件的尺寸精度，并讨论这些因 素对尺寸精度的影响，进而制定稳定的工艺参数。 第1 1 页 昆明理工大学硕士论文第二章表面复合材料的设计和制备 第二章表面复合材料的设计和制备 2 1表面复合材料的结构设计和组织设计 目前，常用的耐磨材料一般都是整体耐磨材料，而事实上，无论是 在三体磨料磨损还是在冲蚀磨损以及其它工况下服役的耐磨零部件，承 受作用力和遭受磨损破坏的一般都是零部件的局部表面，而并不要求零 部件整体都具有很高的耐磨性能。在这种情况下，如果把耐磨材料设计 成为整体颗粒增强复合材料，则不仅浪费陶瓷颗粒，降低利用率，而且 给复合材料的制备、材料的回收和后序加工等方面都将带来很大的困难。 况且，考虑到工程上所使用的各种复合材料，大部分都要满足表面耐磨 性高，而心部塑韧性好，并使这两个方面达到最优化的复合效果。这样 不但可以使耐磨零部件的表面耐磨性得到充分发挥，而且在遭受一定的 冲击时其不易整体断裂而导致失效，从而使得增强颗粒和基体之间做到 优势互补，扬长补短，提高服役寿命，减少经济损失。故此，将表面复 合材料设计在零部件的表层，而内层为金属材料这样一种结构形式，其 组织结构分为基材区、过渡区和复合层三个部分，其结构设计和组织设 计示意图如图2 1 所示。、 崔强啦 l l 基体簟靴 玉燃黼澎燃 1 二一一一 图2 1 表面复合材料结构设计和组织设计示意图 第1 2 页 昆明理工大学硕士论文第二章表面复合材料的设计和制备 由于陶瓷颗粒具有高强度、高硬度、高弹性模量等特点，应用较多。 本课题设计的铁基表面耐磨复合材料中的颗粒在使用过程中，靠阻止或 减小磨料对基体的显微切削和犁沟变形来提高材料的耐磨性，因此选择 w c 颗粒，详细分析见2 2 2 。而基体不仅要起到支撑陶瓷颗粒硬质相的 作用，而且要具有抗磨作用，高铬铸铁是常用的耐磨材料，其碳化物硬 质相具有较高的硬度，因而具有较好的抵抗磨料磨损的能力，为获得高 铬铸铁基体，采用在碳化钨颗粒中加入高碳铬铁颗粒的方法。高碳铬铁 的熔点不高，与铸铁液的润湿性良好，来源广泛，成本低，利用渗入的 高温液体将其熔解、熔化，凝固后便可获得高铬铸铁基体。 2 2基材和增强颗粒的选择 2 2 1基材的选择 基材是表面复合材料的主要组成部分，起着固定增强颗粒、传递和承 受各种载荷的作用，金属基材的选择对表面复合材料的性能起着决定性 作用，其密度、强度、塑性、耐蚀耐热性能、导电导热性能等均影响复 合材料的整体性能。一般用作基材的材料有a l 、t i 、m g 、n i 、c u 、p b 、 f e 、a g 、z n 、s n 等，其中大多数采用密度较低的铝、镁和钛合金，以便 提高复合材料的比强度和比模量，特别是铝合金由于其低密度、优良的 机械性能和耐蚀性的独特结合而尤为受到关注，其应用也最为成熟。然 而，已开发或正在开发的颗粒增强金属基复合材料多为有色合金，由于 黑色金属基颗粒增强复合材料的基材熔