（材料学专业论文）45钢铸渗技术中粘接剂的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 4 5 钢铸渗技术中粘接剂的研究 材料学 研究生侯春林指导教师魏晓伟 本文针对矿山、水泥等行业中耐磨铸件工矿条件恶劣、耐磨性及耐冲蚀 性要求较高，且用途大，批量大、要求较好的经济性，按照“成本低，性能” 的原则，从改善铸渗质量着手，以球磨机衬板为研究对象，对4 5 钢铸渗技术 中的粘接剂进行了研究。通过在工厂现场试验研究对比不同种类的粘接剂对 铸渗层质量的影响，并对表层合金性能及微观组织进行了分析。在粘接剂选 择的方面，对几种粘接剂进行粘接性能、分解产物等方面的比较分析，确定 分别采用无机、有机、复合粘接剂进行铸渗合金化的影响的研究。选用z g 4 5 作为基体，w c 与高碳铬铁作为增强材料。 首先，对金属表面铸渗研究现状作了介绍，重点对铸渗技术的研究进行 了综述，概括了目前铸渗技术的成优点和不足，展望了该技术的发展趋势， 提出了研究的内容。 其次，在试验过程中对不同类型的粘接剂对铸渗层质量的影响进行了对 比研究，通过改变浇注温度及粘接剂的种类，观察研究试验结果。结果表明， 使用不同类型的粘接剂，所获得的铸渗层质量有明显的区别。使用硼砂作粘 接剂的样品铸渗合金层质量最好，在使用水玻璃和混合粘接剂的样品中出现 少量铸造缺陷，铸渗合金层质量比较好，使用有机粘接剂的样品铸渗质量最 差。 最后，通过对几种粘接剂的研究，采用合适的工艺，使用用硼砂作粘接剂 对球磨机衬板进行铸渗试验，所得衬板表面合金化质量良好，无明显的铸造 缺陷。 关键词：球磨机衬板，铸渗技术，粘接剂 西华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nt h eb o n d i n g a g e n to f4 5s t e e l c a s t - c h r o m i z e dt e c h n o l o g y m a j o ri nm a t e r i a l ss c i e n c e g r a d u a t e ：h o uc h u n n s u p e r v i s o r ：w e ix i a o w e i t h i sa r t i c l ei nv i e wo ft h eb a l lm i l ll i n i n gw o r k i n gmb a dc o n d i t i o n t h e r e s i s t a n c et ow e a ra n db e a r sf l u s h e st h ee c l i p s er e q u e s th i g h ，a n du s eb r o a d l y ，t h e b a t c hi sb i g ，r e q u e s t sab e t t e re f f i c i e n c y ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f ”c o s tl o w ， t h ep e r f o r m a n c ei sg o o d ”，n a m e l yo b t a i n st h eb e s tp r a c t i c a lc r a f tp l a nt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t ，r e s e a r c h i n go n , t h eb o n d i n ga g e n t o f4 5s t e e lc a s t - c h r o m i z e d t e c h n o l o g y ，n a m e l yp r o d u c e st h eg l o b em i l ll i n i n gp l a t e sc r a f tp l a nt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t i tw a si m p o r t a n tt h a ti m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fc a s t - c h r o m i z e dq u a l i t y t h r o u g hr e s e a r c h i n g o nt h ee f f e c to ft h e b o n d i n ga g e n tt y p e s o nt h e c a s t c h r o m i z e dl a y e rq u a l i t y , a n do b s e r v i n gm i c r o s c o p i co r g a n i z ea n dt e s t i n g p e r f o r m a n c et h o u g ht h ee x p e r i m e n ti n t h e f a c t o r y s o m eb o n d i n ga g e n tw a s i n v e s t i g a t e da b o u ta d h e s i v ep e r f o r m a n c ea n dd e c a yp r o d u c tw i t ht h ec h o i c eo ft h e b o n d i n ga g e n t s ot h ec a s t - c h r o m i z e de f f e c tw a sr e s e a r c h e dw i t hu s e di n o r g a n i c ， o r g a n i ca n dc o m p l e xb o n d i n ga g e n t 4 5s t e e lw a su s e db a s a lb o d yw i t hu s i n gw c a n dc h r o m ei r o na sr e i n f o r c e dm a t e r i a l f i r s t ，h a sm a d et h ei n t r o d u c t i o nt ot h em e t a ls u r f a c ec a s t - c h r o m i z e da l l o y r e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n ，k e yt os u m m a r i z et ot h er e s e a r c ho ft h ec a s ti n f i l t r a t e t e c h n o l o g y ，s u m m a r i z e dt h ep r e s e n ts u r f a c ea l l o yt e c h n o l o g ym e r i ta n dt h e i n s u f f i c i e n c y ，a n df o r e c a s tt h i st e c h n i c a ld e v e l o p m e n tt e n d e n c y ，p r o p o s e dt h e r e s e a r c ht o p i c n e x t ，i tw a ss t u d i e dt h a tt h ec a s t - c h r o m i z e dq u a l i t yw a si n f u l u e n c e dt h e d i f f e r e n tt y p e sb o n d i n ga g e n ti ne n t i r e l yt e s tp r o c e s s i tw a so b s e r v e dt h a tt h et e s t r e s u l tw a sa c h i e v e dt h r o u g hc h a n g i n gt h e p o i n to fp o u r i n ga n dt h et y p e so f b o n d i n ga g e n t t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec a s t c h r o m i z e dq u a l i t ya p p e a r e d o b v i o u sd i v e r s i t yw i t hu s i n gd i f f e r e n tb o n d i n ga g e n t t 1 1 ec a s t c h r o m i z e dq u a l i t y w a st h eb e s t u s i n gb o r a xa sb o n d i n ga g e n t n l ec a s t c h r o m i z e dq u a l i t yw a s w o r s et h a tu s i n gw a t e r - g l a s sa n dc o m p l e xb o n d i n ga g e n tt h a nu s i n gb o r a xa s b o n d i n ga g e n t t h ec a s t c h r o m i z e dq u a l i t yw a sw o r s t u s i n go r g a n i cb o n d i n g i l 西华大学硕士学位论文 a g e n t f i n a l l y ，t h r o u g hr e s e a r c h i n gs e v e r a ld i f f e r e n tb o n d i n ga g e n t ，t h eg l o b em i l l l i n i n gp l a t ew a sp r o d u c e da b o u tc a s t c h r o m i z e dw i t hu s i n gb o r a xa sb o n d i n ga g e n t a n du s i n gs u i t a b l ec r a f t t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，t h eo b t a i n e dl i n i n gb o a r d s u p e r f i c i a la l l o yq u a l i t yi sg o o d ，n o to b v i o u sc a s t i n gd e f e c t k e y w o r d s ：g l o b em i l ll i n i n gp l a t e ，c a s t - c h r o m i z e dt e c h n o l o g y ，b o n d i n ga g e n t i i i 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下完成的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：钦嘉状瞄年 月名日 导师签名：j 幺镌够谚痧f 月驴日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 金属材料是最重要的工程材料，而在金属材料中，9 0 为钢铁，是应用最多 的工程金属材料。钢铁材料具有价格便宜、资源丰富、性能优越及易实现规模 化生产等特点，获得了广泛使用。全球钢产量从2 0 世纪初的2 8 5 0 万t ，2 0 0 0 年达 n 8 4 3 亿t ，增长了近2 9 倍。2 0 0 3 年，世界钢产量达n 9 6 3 亿t ，其中约8 0 新增 产量来自亚洲，特别是中国。中国的钢产量由2 0 0 1 年的1 5 1 6 1 l t 增至2 0 0 3 年的 2 2 0 1 亿t 。2 1 世纪，钢铁仍将是占主导地位的结构材料。因此，如何提高钢铁 材料的性能也成为国内外众多学者研究的目标。其中，一个重要的研究方向就 是铁基复合材料的开发和应用。 铸渗也叫涂覆铸造或浸渗，是近年来发展起来的一种制备金属基复合材料 的新技术。铸渗是铸造技术和冶金强化技术的统一结合，是利用铸造凝固余热 将待渗元素熔化、分解、扩散。从而在铸件表面形成特殊性能层，实用于不经 过加工和热处理的铸件，起到表面强化作用。铸渗法起源于涂覆铸造工艺，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，浇注的基体金属液体的热量，使涂 层合金熔化或者半熔化与母材相互作用，在铸件表面形成复合层，该复合层具 有特殊组织和耐磨、耐蚀及耐高温等特殊性能。该工艺将传统的铸造和材料表 面复合强化技术相结合，一次成型，在铸造过程中，充分利用了浇注及凝固时 所的热量，不仅能够降低能耗、简化工序，还能够实现表面合金化，使表面的 合金元素呈梯度分布，大大提高了铸件表面的硬度、耐磨、耐热、耐蚀等性能。 这种方法与非铸造途径的表面强化方法( 如粉末冶金、金属喷涂、真空离子溅射、 激光处理等) 相比，不需要专用的处理设备，具有操作简单、生产周期短、成本 低、节约材料、表面层厚、零件不变形、可以热处理等优点。此外，该工艺还 可以根据使用要求，自由选择母材化学成分，使之与复合层性能达到最佳的配 合；表面复合层的厚度、成分和组织也可以根据工件的性能要求进行设计，因 此受到了人们的普遍重视。 西华大学硕士学位论文 随着机器制造业的飞速发展，对耐磨材料提出了更高的要求，既要求其具 有很高的强度和一定的韧性，又要求在常温下具有较高的耐磨性和在高温服役 条件下仍然保持较高的抗磨损性能。使用单一材质已无法满足要求，而采用增 强颗粒的钢铁基复合材料，能使问题得到很好的解决。满足机械产品在高速、 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。 由于材料性能的提高，在零件使用过程中极少发生材料断裂等恶性事故，材料 磨损是造成机械零件失效的主要原因之一。从而使材料未能得到充分利用，造 成材料使用的极大浪费，磨损还使工件尺寸发生变化，使整个设备的使用状况 发生改变。统计表明：在失效的机械零件中，大约有7 5 - - 8 0 是属于材料磨损 供给机器的能量大约有3 0 4 0 消耗于摩擦和磨损过程中，为改变现状，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。表面技术的高速发 展使工件的性能提高、降低成本。由于资源的有限，提高机器、仪表、装置等 零部件的可靠性和耐磨性，提高其质量和工作效率，节约金属材料和能源，降 低生产成本等问题，已成为迫切需要解决的问题。这些问题的解决首先与零部 件表面的强化有关。其中，金属基复合材料就成了国内外众多学者研究的热门 课题之一，金属基复合材料的大规模研制和开发工作起步于2 0 世纪8 0 年代， 主要是对低熔点金属铝、镁等的复合增韧。通过使用低密度陶瓷基增韧材料， 加工合成的铝基或镁基复合材料的韧性得到了极大的提高。以这些材料制成的 结构件代替原来的金属材料构件，构件质量得到了显著减少，这一成果在航空、 航天领域具有十分重大的意义【2 】。在矿山等行业中，金属基复合材料也得到了 应用，例如：耐火制品成型模具、球磨机的衬板、破碎机的锤头等。零部件的 表层性能在机器和仪表装置的耐用方面所起的作用特别大，因为绝大部分是由 于表面性能不佳，引起零部件的早期失效，如磨损和腐蚀。又由于大多数工业 部门的发展都涉及到提高载荷、温度和介质的浸蚀性，如何提高工件的表面质 量和性能就成为提高工件的可靠性和耐用性的主要研究课题之一。 对于铸渗技术，要想获得优良的表面性能( 耐磨，耐蚀，耐高温等) 其渗层 质量是关键，根据能量传递和冶金原理，渗层由三部分组成：一是外层，即浇 注的液体金属浸润到渗剂中距渗层金属界面最远处，此层的未熔渗剂合金颗粒 占大部分；二是内层，即涂层金属界面处，此处热作用最强烈，渗剂发生分解 西华大学硕士学位论文 反应从而产生大量活性原子，这些活性原子向金属基体内部扩散，由于在液体 内部扩散，因而扩散阻力小，扩散行程长，此层为扩散层；三是介于外层与内 层之间的部分，铸渗内层与外层渗剂形成较大的浓度差，由于毛细管作用，母 液渗入到合金颗粒的空隙中，包围合金颗粒，使表面溶解、熔化，表面成液相 的渗剂合金与母液发生互渗，然后冷却结晶，该层未熔合金颗粒比外层要少， 该层为过渡层。各部分的相组成取决于组成该合金系的相图，外层和过渡层的 化学成分主要取决于渗剂合金的化学成分；内层，为渗剂元素原子饱和基体金 属，所以取决于母材金属的化学成分，具体情况可根据母材渗剂二元相图来 分析。渗层质量主要由渗层厚度、硬度、致密度等决定，一般情况下内层质量 最好，过渡层次之，外层质量较差。 影响渗层质量的因数很多，主要有母材和渗剂的组成，渗剂的配制工艺及 性质，铸渗工艺参数等等。 铸渗法的主要优点有：可根据零件的使用要求涂敷不同形状、不同厚度、 不同材质的待合金化金属，可在零件的一个或多个部位生成合金层，铸渗件表 面质量较易控制，工艺过程简单，不需增添新设备，在一般的铸造条件下便能 生产。铸渗产品生产周期短、表面处理层厚、成本低、节约材料、零件不变形、 可以热处理等。 我国用铸造法制造耐磨件方面的研究和应用已取得一定的成绩，铸渗工艺 制造的锤头、铲齿、鄂板、风扇磨冲击扳已获得一定的成功，其使用寿命得到 显著地提高，取得较好的经济效益。目前对铸渗技术在工程中的应用的研究虽 然得不错的进展【3 刮，但是对粘接剂的研究相对较少。在铸渗工艺中，粘接剂对 表面合金化的质量及性能有很重要的的影响，如合金层的夹渣、气孔等铸造缺 陷都与粘接剂有很大的关系。其种类分为有机粘接剂、无机粘接剂和。为了进 一步扩大铸渗产品在工程应用，对铸渗粘接剂的选择和使用还需要进一步作深 层次的研究。主要研究他们在铸渗过程中的热稳定性、渗透能力、发气性和其 分解产物对铸渗层性能及质量的影响，同时还要注意铸渗表面复合材料在工程 上的应用研究等。 西华大学硕士学位论文 1 2 铸渗技术的发展及其粘接剂的研究现状 美国、德国、日本和南非等国家已在铸渗方面有比较深入的研究。其中， 研究最多的工艺是铸渗法。采用铸渗法制各钢铁基表面耐磨复合材料就是将合 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，该复合层具有特殊组织和耐磨、耐蚀及耐高温 等特殊性能。文献 7 ，8 利用铸渗法制备了铁基表面复合材料，其增强体分别 是( n b f e ) c x 和c r 的碳化物，研究表明碳化物相的组成与扩散温度和基体的含 碳量有关。美国卡特皮勒公司和阿拉巴马州大学的研究者采用压力铸渗工艺制 备了w c c o ，( w ，t i ) c 和a 1 2 0 3 增强钢基表面复合材料，并作为一种新型的耐 磨材料成功地得到了应用p 1 。近年来，中国也对铸渗法表面粒子增强复合材料 非常重视，特别是2 0 世纪9 0 年代以来，铸渗工艺的应用研究已获得长足的进 展。 采用铸造方法制造双金属复合材料己成为一种提高材料性能及实现材料各 方面性能良好配合的主要途径之一，并得到日益广泛的研究和应用。使用双金 属复合材料的推动力是由于它们可以降低成本、改善材料性能以及合理地使用 材料的优点。 由于界面问题对双金属复合铸造制备复合材料影响很大，所以双金属复合 铸造工艺成败关键在于两种金属的界面融合优劣和结合强度的高低u 。 2 0 世纪8 0 年代，清华大学易又南纠等人对铸渗进行了研究，他们以高铬 白口铁为基，镶铸不同数量的w c 颗粒作为铸渗材料，对风扇耐磨冲击板进行 了实验。结果表明，复合材料的耐磨性比原材料材质的冲击板z g 5 0 m n 2 的耐 磨性提高2 8 。w c 表面铸渗的耐磨性比高铬白口铁表面铸渗层的耐磨性提高 了7 倍。祁小群刊等人采用负压铸渗法成功制备出w c 颗粒增强高铬铸铁基 表面复合材料喷射口衬板，所得复合层厚度可达8 m m l o m m ，而且在三体磨 料磨损条件下，复合材料表现出优异的耐磨性能，耐磨性是铸态c r 2 0 的5 1 倍，在实际工况条件下使用该喷射口衬板，其寿命是高铬铸铁的3 5 倍。张晓 玲卜u 等也成功地用无压渗透法制备了灰铸铁基表面复合材料，复合层达8 m m 。 铸渗是一种制备金属基表面复合材料的新技术，它源于涂敷铸造工艺。1 9 1 3 年由美国人d a v i s 创立，通过一次性浇注钢液的方法使铸件表面形成符合层， 4 西华大学硕士学位论文 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 普通铸渗制备工艺和消失模( v e p c ) 法铸渗制备工艺，其中v - e p c 法是当今研 究的热门，被称为“第三代造型方法”应具有较高的硬度和抗磨性。 铸渗法虽然很早就为国内外铸造工作者所关注，但至今尚未得到推广应用。 其原因是由于对铸渗过程中许多工艺上的问题难以解决。 首先要考虑的问题是能否使用此法生产出合格铸件，渗层厚度能否满足工 况要求。影响铸渗层质量的主要因素有合金化涂层( 或增强材料) 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敷层表 面的浸润性，一直是铸渗研究中的一个重要课题。为了进一步强化金属液对涂 敷层的渗透，还可以采用向液体施加外力的方法。随着铸渗法制备钢基表面耐 磨复合材料方面的理论研究的逐步深入，2 0 世纪9 0 年代以来，在应用研究方 面也取得了长足的进步。m e c h e l t t j j 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 。沈蜀西u 叫等用铸 渗方法研究铸铁渗铬制砖模具。生产结果表明，铸铁渗铬模具的使用寿命为变 质处理铸铁的8 1 0 倍，比灰铸铁提高2 6 倍以上。蒋业华u 等针对承受严重冲 蚀磨损的渣浆泵过流件，采用沙型负压铸渗工艺制备了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型曲面的复合。 铸渗技术按照铸渗剂形成的方式不同，可分为涂覆法、膏块法；按浇注工 艺不同，可分为普通铸渗、压力铸渗、离心力场铸渗、负压铸渗等；按照造型 材料的不同，可分为普通砂型铸渗、石墨砂型铸渗、干砂消失模铸渗等。本文 主要介绍按照表面合金化制各金属基表面复合材料工艺的不同时，铸渗方式可 分的几类形式： 1 2 1 普通铸渗工艺 普通铸渗法的工艺过程为：将配置好的合金粉末与粘结剂、熔剂配制成膏 状并涂覆在型腔表面的需要部位上，待铸型干燥后浇注由于普通铸渗法需要 在型腔内壁上涂挂合金涂层化涂料，而合金涂层存在制作工艺复杂、安放固定 西华大学硕士学位论文 困难和位置局限性大等问题，因此操作极不方便该方法存在的突出问题：一 是气孔和夹渣难以去除，气孔和夹渣主要来源于粘结剂和熔剂受热气化和渣化， 以及粉末涂层空隙所带气体和粉末吸附的气体刘耀辉等叫避免铸渗层中气孔 和夹杂的形成，不使用粘结剂和熔剂，而将陶瓷颗粒和合金添加剂直接铺盖在 下铸型内需要耐磨的部位，浇注结果发现铸渗层内没有气孔和夹杂的形成：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；除以上不足之处外，普通铸渗法还存在合金化层厚度小、成本高等 缺点这些问题的存在使得该工艺多被用于小批量的工艺试验，而难以实现大 规模的工业化生产。 后来的研究发现，以合金膏块代替合金涂层，将合金膏块放置在型腔中的 适当部位，可以进一步提高铸渗层的质量，而且在铸渗层中可以保留较多的合 金颗粒作为硬质相，以提高耐磨性。膏块法要求涂层在浇铸过程中的发气量较 小，残留物少，润湿性好。 1 2 2 压力铸渗工艺 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9 0 0 ，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。 1 2 3 离心铸渗工艺 离心铸渗是在旋转体型腔预制粉末涂层，然后在浇入过热金属液，使金属 液在离心力的作用下渗入粉末涂层中腔内，离心铸造法在生产双金属滚套筒类 铸件中应用最为广泛。双金属离心铸造是在先浇注的外层金属基本凝固时浇入 内层金属液，两层金属通过组分扩散或外层金属的重熔实现两层金属的冶金结 合，使外层金属与内层金属融合成一个整体。它的工艺要求包括：外层金属的 熔点应略高于内层金属的熔点；减少内层金属浇注后对外层金属的侵蚀程度； 6 西华大学硕士学位论文 掌握合适的外层金属与内层金属的浇注温度和浇注速度；并保证适当的两层金 属液浇注时间间隔是获得良好产品质量的关键工艺参数。 d e o n a t h 等人在上个世纪9 0 年代初就研制了铸铁基s i c 陶瓷颗粒表面铸渗 耐磨复合材料，并对金属液的浇注温度、离心力大小、涂层的预热温度和铸型 预热温度与铸渗复合层厚度的关系进行了较为系统的研究卜“。y n i s h d a 等人 卜w 研究了三种离心铸渗方式的铸渗过程，并进行了较为详细的理论分析，揭示 了离心铸渗中复合层为何沿背离离心力方向，而向着轴心逐渐生长的机理。 此外，通过震荡也可提高金属液对涂敷层的渗透能力，其原理与利用离心 场相似，都是通过超重力提高渗透速度来强化渗透。离心铸渗的不足之处是成 型的铸件只局限于旋转体和一些表面形状较简单的零件，而对于表面复杂的零 件就无能为力了 1 2 4 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。该工艺有两种基本形式，即空腔负压铸渗( 简称v 法铸渗) 和v - e p c 铸渗工艺。 空腔负压铸渗发( 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。 v - e p c 铸渗工艺也叫实型负压铸渗工艺，即用聚苯乙烯泡沫塑料( e p s ) 制 备试件模型，将增强颗粒均匀涂于试件( e p s ) 需要合金化的表面，组装成模组 后涂耐火材料，烘干后造型。增强颗粒可采用铬铁、钼铁、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 西华大学硕士学位论文 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2 l 世纪最有发展前途的铸造工艺，被国际材料学界誉为2 1 世纪绿色 铸造工程。 粘接剂的作用就是在铸渗过程中金属液进入型腔后，在瞬时高温作用下仍 然具有良好的粘接作用，合金层不被高温金属液冲垮、溃散，保持合金层在铸 渗过程的形状。这就要求粘接剂要具有优良的高温粘接性能。粘接剂的分解产 物对铸渗层的质量影响很大，如气孔、夹渣。因此，要求使用的粘接剂在铸渗 过程中的分解产物对铸渗合金层质量的影响小，即粘接剂的发气量和造渣量低 且对铸渗层的质量无大的不良影响。 虽然铸渗技术取得了很大的进展，但是些制约其应用的瓶颈问题仍然没 有得到解决，特别是铸渗技术中的粘接剂方面的问题。研究人员对于铸渗技术 的研究主要是集中在工艺方面；对于铸渗技术中的粘接剂的开发及应用，科研 人员没有进行系统的研究。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、不易进行加工等许 多问题，制约了铸渗工艺的推广和应用。这些问题大部分都与粘接剂有关系， 对粘接剂研究有利于改善铸渗效果和提高铸渗层质量。因此，我们应该采用更 加科学的手段，在选择合适的粘接剂种类及用量等方面进行研究，克服目前存 在的困难。进入9 0 年代以来，在粘接剂的研究和应用上取得比较大的进展，但 是仍然处于对某些粘接剂在铸渗技术中的使用和研究，并没有进行全面的对比 研究。祁小群“等采用硼砂和碳酸钠作为粘接剂的负压渗透法成功制备出w c 颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料喷射口衬板，在实际工况条件下其耐磨性能 是高铬铸铁的3 5 倍，大大提高了使用寿命。张怀嵩卜u 用p v b 作为粘接剂在 铸钢阀门内腔进行铸渗获得一定成功。西安交大的李秀兵m 纠等人用硼砂作为粘 接剂取得了比较好的结果。全面、系统的研究和开发新的粘接剂，解决粘接剂 在铸渗产品中出现的问题，这样才能在工业化生产中大规模应用铸渗技术。由 于起步早，美国、德国、和日本等国在铸渗应用这方面的研究比较前沿，其中 德国h v 公司研发的c o r d i s 无机粘接剂是一个典型的代表，c o r d i s 无机粘接剂 西华大学硕士学位论文 主要由磷酸盐、硼酸盐和硅酸盐的混合物组成。 1 3 本课题的研究内容 在本实验中，由于影响表面合金化复合层质量的因素较多又较复杂，结合 工厂实际使用铸件的工况条件，选择以下几方面作为研究内容： 1 、粘接剂对铁基w c 高铬铸铁表面合金化的影响。 2 、用铸渗法制取耐磨合金。研究化粘接剂在种类不同的条件下对合金层质 量和性能的影响。 3 、铸渗层组织形貌观察，并对其相结构进行分析比较，即4 5 钢表面w c 高c r 铸铁合金化的微观组织分析。 4 、在不同浇注温度的情况下，调整粘接剂种类，选定一种最佳方案，提高 铸渗铸件的质量。 5 、选择实际工况对实际工件( 球磨机衬板) 进行生产试验，得出较合理的 铸渗粘接剂工艺。 2 实验方法及过程 2 1 实验方法的确定 本实验得对象是球磨机衬板，根据对铸渗机制的认识和相关文献资料的分 析，确定了本课题的实验方法。在实验过程中，采用不同类型的粘接剂进行球 磨机衬板的铸渗实验，通过观察及分析球磨机衬板的铸渗层质量，调整粘接剂 的种类及用量，优化粘接剂工艺，满足球磨机衬板铸渗层在生产上的要求。本 实验按粘接剂的类型不同采用“有机粘接剂、“无机粘接剂 及“复合粘接剂 三种方式进行，具体过程如图2 1 所示。 9 西华大学硕士学位论文 f i g 2 - 1e x p e r i m e n t a lf l o wc h a r t 图2 1 技术路线图 西华大学硕士学位论文 2 2 实验材料的选择 2 2 1 基体材料的选择 金属材料品种繁多，选择什么样的金属作为金属基体材料，主要遵循以下 原则： ( 1 ) 根据复合材料的使用要求 例如在航空、航天领域，高比强度、高比模量、尺寸稳定性是最重要的性 能要求。作为航天飞行器和卫星的构件宜选用密度较小的轻金属，铝、镁、或 二者合金作为基体与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成连续纤维复合 材料。 ( 2 ) 根据复合材料的组成特点 选用不同类型的增强材料如碳化钨，铬铁等，对基体材料的选择有较大的 影响。例如铬铁颗粒增强的复合材料中考虑到要充分发挥铬铁的作用，希望选 用塑性较好的基体，实践证明，在选用高铬铁粉做增强材料时，选用钢作基体 比灰铁作基体要好。 ( 3 ) 根据基体和增强材料的界面状态 选用基体时，主要考虑的是基体应该和增强材料有较好的浸润性。， 在满足以上条件下尽量降低成本。由于本文研究的内容主要是通过表面合 金化改善球磨机衬板的使用性能，即改善衬板在工作条件恶劣、耐磨性及耐冲 蚀性要求较高的情况下的使用性能。通常情况下，衬板主要失效于磨损、变形 和断裂。衬板断裂在很大程度上受材质韧性和疲劳强度的影响，而其磨损又受 到许多因素的影响，主要因素有衬板的材质与形状、被磨物料的性质( 硬度、 易碎性) 和粒度、球磨机的转数、研磨体( 磨球、磨段) 尺寸与重量等。而且 磨球和物料的冲击容易使衬板变形。有的衬板使用一定时间后，因过度变形而 难于拆卸以至影响球磨机的使用，因此要求衬板具有外部强度及硬度足够高， 内层又要有足够的韧性。根据以上原则，本课题采用具有较高韧性的4 5 钢作为 基体材料，其具体成分见表2 1 。 西华大学硕士学位论文 表2 - 1z g 4 5 成分( w t ) t a b l e 2 1i n g r e d i e n to fz g 4 5 ( w t ) 2 2 2 合金颗粒种类的选择 在铸渗工艺的制定过程中，不仅要耐磨合金颗粒能否产生硬化相，更要考 虑合金元素和基体材料的兼容性，具体到钢基材料表面铸渗合金化问题，主要 考虑以下三点因素： 1 、合金颗粒与基体金属液是否具有良好的浸润性； 2 、合金颗粒的熔点是否和基体相匹配，合金颗粒熔点过高则在合金层表 面和基体不易形成冶金结合，过低则使合金颗粒完全熔化而混入基体 材料造成整体合金化； 3 、合金元素自身和形成的碳化物要有足够的硬度，这是提高铸件表面磨 损性能的主要因素。 由于以上原因，人们对多种合金元素进行比较研究，结果发现铬铁、碳化钨等 合金颗粒都是铸渗合金化工艺普遍采用得增强材料颗粒。当然，由于这些合金 元素大多价格昂贵，因此一般不用他们来制造整体零件，主要作为金属材料的 添加元素或者材料表面合金化元素。 由于本课题研究的材料需要具备较高的耐磨性( 主要是冲击磨损) 及较高 的硬度，所以这就对合金层材料的选择有一定的要求。对于抗磨材料，最重要 的是应具有较高的硬度。通常抗磨性与硬度成正比，尤其是软磨料磨损，硬度 越高，抗磨性越好。但在抗冲击磨损时，材料也不能太脆，而应具有一定的强 度和韧性。如何兼顾最大耐磨性和最大断裂韧性两方面的要求，已经成为整个 抗磨材料研究领域中最为关注的问题。通常情况，耐磨复合材料的增强材料一 般选用高熔点、高硬度的合金颗粒。 本课题选用铬铁、碳化钨作为增强材料颗粒进行铸渗实验。铬是使用很广 泛的耐磨合金元素，它的特性是它容易和铁形成连续固溶体，相变时铬对碳原 子的迁移起阻碍作用，它还能与碳形成多种化合物，铬与碳的亲和力在形成碳 西华大学硕士学位论文 化物时大于铁，它可以取代一部分铁形成合金渗碳体( f e ，c r ) 3 c 、( f e ，c r ) 7 c 3 、 ( f e ，c r ) 2 3 c 6 等。由于它们都是强硬化相，因此它们显著提高了钢的耐磨性，铬 与铁还可形成金属间化合物。相( f e ，c r ) 。铬能提高钢的淬透性，它使珠光体中 的碳浓度及奥氏体中的碳极限溶解度减少，即使铁碳平衡相图中的s 点及e 点 向左移动。在等温转变时，铬能有效地延长奥氏体转变的孕育期，液就是减缓 奥氏体分解速度，从而提高钢的淬透性，铬还能使贝氏体转变区域向低温区域 移动，甚至与珠光体区域分开。高碳铬钢淬火后，回火有二次硬化现象。所有 这些都有利于改善钢铁的室温组织，提高钢的硬度和强度，使之成为优良的耐 磨材料。 对于钢中合金碳化物，一般来说，都是随着含铬量的增加，含铬碳化物的 形式也在改变，主要改变形式是渗碳体由( f 。，c ，) 。c 到( f 。，c ，) ，c 。再成为( f 。，c ，) ：。c 。 组织。这几种碳化物的晶体结构、密度及硬度如表所示。在表中可以清楚的看 到，在各种碳化物中，( f 。，c ，) ，c 。型碳化物硬度最高，( f 。，c ，) 。c 型为连续网状或 板块形貌，而( f 。，c ，) ，c 。和( f 。，c ，) 。c 。型碳化物为条状或条块形貌，即( f 。，c ，) ，c 。 和( f 。，c ，) 。c 。型碳化物的合金层的韧性比含有( f 。，c ，) 。c 型的碳化物合金层好。在 合金膏块中加入铬铁颗粒就是希望在合金化过程中得到类似高铬铸铁中的抗磨 骨架( f 。，c 。) ，c 。型碳化物，因为这中碳化物微观上呈各向异性，能提高合金层的 硬度和抗磨能力，这也是利用其产物组织特点提高材料的性能原因。 w c 韧性好、硬度高、抗冲击载荷及抗磨粒磨损能力强，与基体金属结合具 有较好的抗界面腐蚀性能，而且它与铁基金属液润湿性好，两者之间的润湿角 为零m h 1 。这就可以省去表面处理的工序，使实际生产中减少设备投资，缩 短生产周期。因此，从与基体材料的润湿性、抗磨性和抗蚀性几方面考虑，选 择w c 颗粒作为本课题的增强材料在技术上是合适的。 本实验选用的合金材料为碳化钨颗粒、铬铁粉颗粒及还原铁粉。 西华大学硕士学位论文 表2 - 2w c 粉末成分( w t ) t a b l e 2 - 2i n g r e d i e n to f w c ( w t ) 表2 3 铬铁粉末f e c r 6 7 c 6 0 成分( w t ) t a b l e 2 - 3i n g r e d i e n to ff e c r 6 7 c 6 0 ( w t ) 然而，从成本角度考虑，完全使用碳化钨是不经济的。另外，碳化钨与4 5 号钢的硬度差异过大，这样工件在受到冲击力时，由于基体的变形使碳化钨颗 粒容易脱离基体。因而这就要求寻求一种既能满足使用性能，又能降低成本的 材料与之搭配。铬铁具有高的硬度，加之碳化钨颗粒在其中有一定体积分数形 成较均匀分布，可使性能进一步提高。同时，铬铁较其它硬质相有相当大的价 格优势。所以，最佳选择便是铬铁。 一般说来，在受冲击载荷较小、要求高硬度、高强度及高耐磨性工况下， 可选用含硬质相为较多的硬质合金；在那些既要求高强度、又要求高韧性的工 况条件下，必须适当减少硬质相的含量，从而牺牲合金一定的耐磨性以换取大 幅度提高韧性和强度。这样可避免在较大应力负荷下破裂，使合金应有的耐磨 性得到充分利用。 针对以上分析，在选择材料等方面就有一定依据。由于本实验是所研究的 材料应具备较高硬度和韧性。 型砂的颗粒特性包括种类、形状、大小、均匀度和表面状况等，是铸造用 砂的一个主要指标，对于型砂的各种性能，如透气性、强度、耐火度等都有一 定的影响。本试验采用的型砂为水玻璃砂，型砂中的粘结剂( 水玻璃) 是包覆 在砂粒表面形成一层粘结膜后而起作用的，所以粘结剂的用量取决于砂粒总表 面积的大小。在砂粒形状基本相同的情况下，尺寸越小，同样质量的原砂其总 表面积越大，若要保持同样厚度的粘结膜，则其所需的粘结剂量也就越多。因 1 4 西华大学硕士学位论文 此，根据不同工艺要求选择原砂颗粒是较为重要的。在各种水玻璃硬化剂中， 应用最广泛的是c 0 2 气体，因为使用c 0 2 硬化水玻璃，具有操作简单、硬化迅速、 生产周期短、对环境无污染、生产成本低等优点。 在采用同样的原砂时，水玻璃砂的透气性比普通粘土砂的高，水玻璃砂的 透气性随着水玻璃加入量的增加而减少。随着吹c 0 2 时间的增加透气性稍有增 加。另外，根据不同的合金，不同的铸型( 湿型、表面烘干型或干型) 铸件大 小和复杂程度不同，对型砂的要求也不同。铸钢的熔点高，浇注温度一般在1 5 0 0 以上，因而对耐火度要求高。同时由于铸钢的密度大，致使铸型在浇注时受 的压力和冲击力较大，因而也要求较高的强度卜“。 砂粒过细，则透气性小，而影响气体的排出，造成气孔等铸造缺陷。同时 考虑到耐火度要求，试验用较粗石英砂，粒度为4 0 - - - , 1 0 0 目。 2 2 3 粘接剂的选择 粘接剂的作用是把合金颗粒粘接成型，经过一定的工艺使其具有一定的强 度，保证型腔内的合金涂敷层在高温钢液进入型腔的时候保持合金层的形状， 不被高温钢液冲垮导致合金层的溃散。粘接剂还能改善合金颗粒与基体材料之 间的浸润性及在合金涂敷层中形成稳定的毛细孔隙，有利钢液浸入涂敷层。但 是，粘接剂在铸渗合金化过程中时的分解产物对铸渗质量有很大的影响。粘接 剂的分解产物包括生成的各种挥发性气体及不能挥发而残留在合金层中的物 质。当粘接剂的分解产物生成的气体过多，在铸渗过程中气体来不及完全排出， 在铸渗层中就形成气孔，而且气体过多会阻止高温钢液浸入合金涂敷层，导致 铸渗层质量不合格；如果分解的残留物不能被高温钢液从合金涂敷层中挤出， 在铸渗层中就会出现夹渣登缺陷影响铸渗层质量。 因此，对粘接剂的选择应注意四点： ( 1 ) 、粘接剂在高温条件下具有良好的粘接性能，这是保证合金涂敷层在高 温钢液进入型腔后，涂敷层能保持原来的形状，不被瞬间升高的温度导致 粘接剂失效。 ( 2 ) 、粘接剂的分解产物要尽量少，这样可以降低粘接剂分解时对铸渗合金 层的质量影响。特别是对铸渗合金层中的气孔及夹渣等缺陷有明显的减少。 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 、粘接剂能够改善合金颗粒与基体材料之间的浸润性。 ( 4 ) 、粘接剂的组成成分种类少，资源丰富，能在常温下储存，加工工艺简 单。 本课题根据粘接剂的种类，即有机粘接剂、无机粘接剂及复合粘接剂。选择 了4 种粘接剂进行铸渗实验，如表所示。 表2 - 4 粘接剂种类及成分 t a b l e 2 - 4t h et y p e sa n dc o m p o s i t i o no fb o n d i n ga g e n t 2 2 4 粘接剂的特性 粘接剂的种类不同，其粘接的机理也有很大的差异。对于以松香和酚醛树 脂为粘接剂，松香含油树脂经加工除去松节油后的热熔物。常温下为固体。主 要成分为树脂酸，外观随原料和加工方法而异，通常呈淡黄色至黄红色，有时呈暗 红色甚至近黑色。性硬脆，易碎裂，断面有光泽。松香具有防潮、绝缘、乳化、 粘合、防腐等作用，广泛用于造纸和生产肥皂、油墨、橡胶、涂料、电缆、胶 粘剂、医药、等工业部门。 松香种类按原料来源松香可分为：( 1 ) 脂松香，从松树立木所采经蒸馏法 或直接火