铸渗成型技术工艺及发展状况.docx

今日铸造To days Fo undry铸渗成型技术工艺及发展状况(河南科技大学材料科学与工程学院 ,河南 洛阳 471003)摘要 :就目前铸渗工艺的方法 ,铸渗技术研究的成果和应用进行概述 ,并对该工艺今后研究的方向做了探讨 。随着现代工业 的发展 ,摩擦磨损变得越来越严重 ,铸渗法作为一种表面强化方法 ,可实现在铸造过程中一次成型 ,不需要专门的设备 ,能耗 低 ,成本低 ,生产周期短 ,表面处理层厚 ,零件不变形等优点 。关键词 :铸渗法 ;表面复合材料 ;表面处理李珍 ,陈跃中图分类号 : TG249文献标识码 :A文章编号 :100028365 (2004) 0820651203Development Condition and Appl ication Prospect on Ca sting Penetration Hardening ProcessL I Zhen , CHEN Yue( Institute of Material Science and Engineering , Henan University of Science and Technology , Luoyang 471003 , China)Abstract :The method , achievement and application on casting penetration hardening process are summarized , as well as the developing direction in the further is discussed. With development of modern industry , and more and more serious frictionwear , casting penetration hardening process can realize expandable mold , and neednt for a special equipment as a surface2hardening method. Furthermore , it has a lot of advantages such as low consumption and cost , short productive period , thick surface , no distortion on accessory , and so on.Key words :Casting penetration hardening process ; Surface composite ; Treatment surface为了提高钢铁材料的耐磨性 ,一般需要采用合金含量高的特殊钢或特殊铸铁 ,采用整体合金化所得的 材料其耐磨性虽有所提高 ,但其韧性也同时大幅度的 降低 。此外 ,大多数情况下机械零件的磨损破坏都发生在表面或某些特定的部位 ,如采用昂贵的 Cr 、Ni 、Ti 等合金元素进行整体合金化是很不经济的 。于是表面 强化技术在解决上述矛盾方面显示出优越性 。目前的 表面强化技术有物理气相沉积 、辉光离子渗氮 、金属材 料的涂层熔融凝结强化 、激光表面强化等 , 但这些表面改性的方法都是在零件成型后的二次表面处理技 术 ,且需要复杂的专门处理设备 ,增加了工序 ,生产周 期长 ,耗能大 。铸渗法是在铸件凝固过程中实现工件 表面合金化 ,从而使其表面有特殊组织和性能的表面 改性方法 ,是表面改性与零件成形同时进行的一种新 型表面成形技术 , 具有不需要专门的设备 、生产周期短 、表面处理层厚 、成本低 、节约材料 、零件不变形 、可 以热处理等许多优点 。1 铸渗法制备金属基表面复合材料的工艺概述铸渗法是将合金粉末或陶瓷颗粒等预先固定在型壁的特定位置 ,通过浇注使铸件表面具有特殊组织和性能的一种材料表面处理技术 。1 . 1普通的铸渗工艺 普通的铸渗工艺是利用在铸型型腔表面涂刷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 ,但此方法所得的铸渗层品质不易控制 。浇注温度和粉末的粒度也难以协调 ,将合金粉末制成预制块 ,然后镶嵌于铸型中 的特定部位进行表面合金化 ,此工艺可有效的形成一定厚度的合金层 ,而在铸渗层中可保留较多合金颗粒 作为硬质相 ,即合金元素的收得率高 ( 表面铸渗层中 的合金元素成分值/ 涂料层中合金元素的成分值) 100 % , 对于合金膏块 ,则要求燃烧后发气量小 ,残留 物少 、润湿好 ,但在浇注高温母液时合金块有可能被冲 散 ,合金膏块镶嵌工艺本身的特点就限制了其只能用 于生产规则形状的工件 。1 . 2有外力作用的铸渗工艺 普通的铸渗工艺存在着一些问题 ,如气孔和夹渣难以去除 。气孔和夹渣主要来源于粘结剂和溶剂受热 气化和渣化 ,以及粉末涂层或压坯本身空隙所带气体 和粉末吸附的气体 。母液与涂层表面的浸润性是影响 渗层形成的必要因素 。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收稿日期 :2004205214 ;修订日期 :2004206228基金项目 :河南省杰出人才创新基金 ,编号 :0421000600作者简介 :李 珍 ( 19782 ) , 女 , 甘 肃 天 水 人 , 硕 士. 研 究 方 向 : 耐 磨 材料.E2ma il :lizhen05 sina . comVol . 25 No . 8Aug. 2004652 FOUNDRY TECHNOLOGY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 。表1 显示了在铸渗工艺中使用的正压力 、负压力和离心 力 3 种力场的作用效果 。表 1 铸渗工艺中三种外力场的比较 1 Tab. 1 Three outer forces comparison in the casting penetration tec hnology的造型一样 ,将造好的铸型埋于真空砂箱 ,接着在其上铺盖一层塑料薄膜 ,然后抽真空 、浇注 。V2EPC 铸渗工 艺也叫实型负压铸渗工艺 ,即采用聚苯乙烯泡沫塑料 制备试件模型 ,将增强颗粒均匀涂于试件需要合金化 的表面 ,组装成模后涂上耐火材料 ,烘干后造型 。浇注过程中抽真空形成负压将泡沫塑料和涂料燃烧产生的 气体抽走 ,利于金属液在颗粒间的渗透 ,并可防止涂敷 层被金属液冲散 ,凝固后形成高品质铸渗层 。用此方 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 ,被国际材料学界称为 21 世纪绿色铸造工对缺陷的影响 (夹渣/ 气孔)外力场渗透压力铸渗品质正压力负压力 离心力大较大60120 g 促成/ 促成促成/ 减少 排除/ 排除良良 优g 是重力加速度系数程3 ,4。1 . 2 . 1 正压力铸渗工艺该工艺是将预制粉末压坯或粉末放到预热过的压 铸模具中 ,然后浇铸高温金属液 ,接着在金属液面上直 接施加压力 ,使金属液渗入压坯或粉末层中 。压力铸渗的优点是增强颗粒与金属液的润湿角 ,即使其大于 90,金属液仍能够渗透预制块 。1 . 2 . 2离心铸渗工艺 离心铸渗是在旋转体的型腔内壁预制粉末涂层 ,然后再均匀浇入过热金属液 ,使金属液在离心力的作 用下渗入粉末涂层 。张军1 等进行了铸铁耐热表面合金化研究 ,欲使铁液渗入以铝 、硅为主要合金元素的耐 热合金化涂层 。在离心力场中进行试验 ,在铸件表面 获得了 24 mm 厚的合金化层 ,并且由于合金涂敷层 产生的气体与夹杂物在离心场作用下迅速“上”浮 ,铸渗层内完全消除了铸造缺陷 ,王玉玮2 等人利用离心 力使铁液渗入 SiC 粒子预制块中 ,凝固后得到表层被SiC 粒子强化的优质铸铁基表面复合材料 。此外 , 通过振动亦可提高金属液对涂敷层的渗透能力 ,其原理 与利用离心力场相类似 ,都是通过超重力提高渗透加 速度来强化渗透 。离心铸渗有不足之处 ,如铸件只局限于旋转体和 一些表面形状较简单的零件 ,对于表面复杂的零件就无能为力了 。1 . 2 . 3 负压铸渗工艺负压铸渗也叫真空吸铸 ,此方法摒弃了以往的粘 结剂法 ,采用真空机械吸附作用来固定合金粉末 ,真空 所产生的负压很好的稳定了合金粉末使之不被冲散 ,增强液态金属与合金粉末的紧密接触 ,强化了液态金 属向合金粉末的渗透能力 , 加深了铸渗层的厚度 , 此 外 ,由于少了粘结剂在燃烧后产生气体和残留物的负 面效应 ,强化排气效果 。因而减少了夹渣 、气孔等铸造 缺陷 。该工艺有两种基本形式 ,即空腔负压铸渗和 V2EPC 铸渗工艺 ,空腔负压铸渗工艺的造型过程与一般2 铸渗技术的研究及应用铸渗法源于涂敷铸造工艺 ,1913 年由美国人Davis创立 ,并于 20 世纪 70 年代得到迅速的发展 ,美国 、德 国 、日本 、加拿大等国家在这方面研究都比较深入 。20世纪 80 年代以来 ,中国的铸造工作者也对铸渗技术进行了大量的研究和探索 ,并且吸取了国外的经验 。20 世纪 90 年代以来 ,铸渗工艺被应用到了铸件表面复合 材料的研究开发中 。近年来 ,中国铸渗法表面粒子增强复合材料也受到普遍重视 ,特别是铸渗工艺在应用 研究方面获得长足进展 。Uskov 等人进行了铁碳合金 铸件的表层材料复合和表面合金化的研究 ,结果发现 以 SiC 为涂层组元形成表面复合材料时 ,铸件的耐磨 性提高了 2 . 9 倍 ;用 Cr 合金为涂层组元进行表面合金化时 ,耐磨性提高了 3 . 2 倍5 。四川联大的王一三6 等人通过控制渗剂材料的组成 ,在铸钢件表面形成了 一层 45 mm 厚的含石墨和 ( Fe , Cr) 7 C3 减摩 、耐磨材 料 ,使磨损机制由粘着磨损变为磨料磨损 ,磨损速率大 为降低 ,克服了过去渗层中只有合金碳化物而没有自润滑石墨相的缺点 。此外 ,王一三 、李凤春等人利用液 态反应技术 ,在铸钢件表面原位生成了 Fe2VC0 . 88 表 面自润滑复合材料以及 Fe2TiC 梯度表面复合材料的 研究为铸件表面合金化工艺的研究带来了新思路 。王 华明7 等在 ZG45 钢铸件表面获得了以高 W 合金白口铸铁组织为基 ,以铸造碳化物颗粒为硬质相的抗磨材 料复合层 。许斌8 等在灰铸铁表面获得了良好碳化钨 颗粒 高铬铸铁铸渗层 ,灰铸铁基搅拌机叶片使用寿 命是 Q235 钢制叶片的 3 倍以上 ,而两者的生产成本相 差无几 ,铸渗层在干摩擦和油润滑下的磨料磨损性能比淬火 45 号钢提高了 4 . 97 . 6 倍 ,比 HT200 提高了10 . 723 . 4 倍 。清华大学的易又南 、杨瑞林等人通过 对铸渗高铬白口铸铁复合材质的风扇磨冲击板进行了 试验研究 ,发现表面铸渗的高铬白口铁冲击板耐磨性 比 ZG50Mn2 冲击板提高了 28 % ,WC 表面铸渗层比高653 铸造技术8/ 2004李 珍等 :铸渗成型技术工艺及发展状况铬白口铁表面铸渗层耐磨性提高 7 倍9 。随着铸渗技术工程应用的拓展 ,在耐热 、耐蚀等 方面的研究也取得了较大的进展 。Mechel 10 通过铸渗 工艺在钢锭模上形成了 0 . 20 . 6 mm的 Al 合金化抗 热涂 层 , 使 模 具 高 温 抗 磨 损 能 力 提 高 了 7 % 22 % 。蔡震民11 等在铸钢锭模表面铸渗硼 ,强化晶粒边界 , 稳定珠光体以改善石墨形态 、分布 ,提高了灰铸铁钢锭 模内表面的热疲劳性能和抗氧化性能 ,张军1 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 造技术获得了以铝 、硅为主要组元的耐热表面合金化层 ,920 的抗高温氧化能力为灰铸铁 15 17 倍 ; 应 用该技术生产的新型熔铝铸铁坩埚的使用寿命为传统 方法生产的同材质坩埚的 35 倍 。增光廷12 等人以 Cr 、Ni 为主要合金化渗剂 ,涂刷在型腔表面 ,在蠕墨铸 铁表面形成 56 mm厚的复合层 ,其抗氧化性比蠕墨铸铁有很大提高 ,经900 、3 h 氧化实验证明 ,表面复 合层的氧化速率是 2. 5 g/ (m2h) ,而基体材料氧化速率 是15. 65 g/ (m2h) ,抗氧化性提高 6 倍多 ,蠕墨铸铁表面 形成了两层氧化膜 ,外层的 Fe2O3 和内层的 ( Fe ,Cr) 2O3 , 氧化初期致密的 ( Fe , Cr) 2O3 氧化膜阻挡了铁 、氧的扩散 ,从而使其抗氧化性显著提高 。3 铸渗法今后研究的方向铸渗法虽然与非铸造途径的材料表面强化方法相 比具有不需要专用处理设备 、能耗低 、生产周期短 、表 面层厚等优点 。但目前为止 ,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 。3 . 1铸渗界面现象的研究 铸渗过程中固相材料与液相金属之间存在着质量 、能量 、动量的传递 ,并发生一系列的物理 、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 。3 . 2铸渗凝固过程的研究 铸渗涂敷层固相材料的物理和化学特性与液态金属不同 ,对材料凝固过程中的传热 、传质和动量传输过 程会产生显著影响 ,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 。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 . 3 铸渗生产应用的研究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 ,专用设备和工装有待研制配 套 。在推 广 应 用 方 面 , 要 重 视 新 型 铸 渗 材 料 的 应 用 研究 。3 . 4 铸渗法在铸造金属基复合材料方面的应用研究金属基复合材料与其基体金属相比 ,具有密度小 , 重量轻 ,比强度 、比刚度 、比模量高 ,耐高温 、耐磨损 ,减 振 、抗疲劳 、破坏安全性好等优点 ,是当今材料学和工 程领域研究开发的重点和热点 。相信复合材料的研究 必将成为今后铸渗工艺发展的一个崭新的方向 。参考文献ZHANG J un et al . ,. 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