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球磨机之45钢表面WC_高碳铬铁合金化技术的研究
发布时间：2012-11-17 11:23 来源：未知
1绪论
1.1引言
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。其中，金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一。统计表明：在失效的机械零件中，大约有75～80%是属于金属磨损供给机器的能量大约有30%—45%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(MMC)的大规模研制和开发工作起步于20世纪80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。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。根据不同的表面强化的机理，可以将金属表面强化技术可分为两类：
(1)在表面上镀覆具有所需性能的新材料，
(2)改变金属表层的成分，以保证预期的性能变化。
其中熔铸渗是属于第二类方法，但又与之不同，该技术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。该技术的应用很好地解决了破碎机锤头的失效问题：锤头在和矿石碰撞时会很快地磨损，用普通的钢材做锤头不能满足工况要求，表面需要一层耐磨的特殊材料，比如11VC或高铬铸铁，而破碎机锤柄部分在锤头端部与物料相撞击时承受很大的弯曲应力，因此，锤柄部分应具有较高的强度和韧性。铸钢具有良好的塑韧性和强度，通过铸造方法制造双金属复合材料既满足了锤头端部工作面硬度和抗磨性的要求，又满足了锤柄的强度要求，这种复合锤头不但使用寿命大帼地提高，较全部采用高锰钢制造的锤头生产成本也明显下降。
获得双金属耐磨材料的常用铸造方法有双液双金属法和液一固复合铸造工艺。所谓双液双金属法铸造工艺是指在一定的浇注温度下将两种液态金属先后浇注到同一铸型中去，待冷却凝固后获得同时具有两种材质特性的双金属复合铸件的铸造工艺。华北电力学院的安江英对高铬白口铁—碳钢铸造双金属铸件的结合机理以及对双金属材料的结合层的显微组织和性能进行了详细的研究，为双液双金属工艺的发展提供了可靠的理论依据。
其中，铸渗法的主要优点有：
1、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；
2、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；
3、工艺过程简单，成本较低，不需增添新设备，在一般的铸造条件下便能生产；
4、表面复合材料的采用，既照顾了磨损部位的抗磨要求，又兼顾了整体材料抗冲击的要求，还降低了制造成本，提高了材料利用率；
5、对于较大型的零件，采用铸渗方法进行表面强化方便可行。
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、导卫、铲齿、鄂板、风扇磨冲击扳已获得成功，并用于生产。其耐磨性得到成倍地提高，取得较好的经济效益。目前各国对铸造表面合金化技术的研究多着重于工艺，虽然取得了很大进展，但关于合金化机制问题却缺乏较深入的探索。因此，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，如铸渗层形成过程中的热力学、动力学原理和铸渗层凝固的控制等．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。
1.2表面合金化技术的研究现状和发展概况
目前，用铸造方法制造双金属复合材料已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。
液一固复合铸造工艺通常包括铸渗法和镶铸法。铸渗法是将合金粉末或陶瓷颗粒等增强相预先固定在型壁的特定位置上，通过一次性浇注成型的方法使铸件表面具有耐磨、耐蚀、耐高温等特殊性能的一种材料表面处理技术镶铸法主要是在型腔某部位预先放入具有良好耐磨性的预制块，如高铬白口铁、硬质合金等，然后向型腔内浇注具有良好韧性的母液，如普通碳素钢、低合金钢等，通过母液强烈的热作用，使镶块与母液接触的界面上在一定的时间内处于熔化或溶解状态并发生元素的相互扩散及冶金反应，冷凝后，镶块与母材牢固的熔焊为一体。
20世纪80年代，清华大学易又南[12]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wc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ZG50Mn2的耐磨性提高28%。wc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。祁小群等人采用负压铸渗法成功制备出wc颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料喷射口衬板，所得复合层厚度可达8mm～10mm，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Cr20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。张晓玲等也成功地用无压渗透法制各了灰铸铁基表面复合材料，复合层达8mm。
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。1913年由美国人Davis创立，美国、德国、和日本等国在这方面的研究比较前沿。铸渗法制各钢基表面耐磨复合材料就是将合金粉末或陶瓷颗粒(如Sioz)等预先固定在型壁的特殊位置上，通过一次性浇注钢液的方法使铸件表面形成符合层，该复合层具有耐磨、耐蚀、耐高温等特殊性能。一般来说，这种制各工艺包括普通铸渗制备工艺和消失模( V-EPC)法铸渗制备工艺，其中V-EPC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理论上研究不够，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（或增强相）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，20世纪90年代以来，在应用研究方面也取得了长足的进步。Mechel通过铸渗工艺在钢锭模上形成了0.2-0.6mm的铝合金化热涂层，使模具高温抗磨损能力提高了7070~20%．沈蜀西Il5J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8-10倍，比灰铸铁提高26倍以上。蒋业华【1q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各了wc/灰铸铁基表面复合材料。结果表明，wc/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Cr15M03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。
按照表面合金化制备金属基表面复合材料工艺的不同，可以分为几类：
1. 2.1普通铸渗工艺
在铸渗工艺发展的初期，利用在铸型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反应，直接在铸件表面形成合金化层。所用涂料以欲合金化的元素为主，添加一定比例的粘结剂和熔剂等制成，烘干铸型后浇注成型。
‘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；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问隔是获得良好产品质量的关键工艺参数。张军等人进行了铸铁耐热表面合金化研究，在离心场中进行实验，在铸件表面获得了2～4mm厚的合金化层。由于合金化层内产生的杂质和气体在离心场中上浮一，因此，铸造缺陷大大减少。王玉伟等人研究了离心铸渗工艺制造增，强表面复合材料。SiC颗粒在自制专用离心机的铸型中，靠离心力形成了具有一定紧密程度的SiC颗粒套，它具有一定的空隙率。SiC粒子预成型套在离心力的作用下渗入铁水后，便形成了在基体中均匀分布一定数量强化相(SiC粒子)的表面复合材料。
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。离心铸渗也有不足之处，如铸件只局限于旋转体和一些形状较简单的零件，对于表面形状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-EPC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一千砂稍加微震紧实，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-EPC铸渗工艺也叫实型负压铸渗工艺，即用聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)制各试件模型，将增强颗粒均匀涂于试件(EPS)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世纪最有发展前途铸造工艺，被国际材料学界誉为21世纪绿色铸造工程。
1.2.4 SHS铸渗法制备表面陶瓷一金属复合材料
自蔓延高温合成技术，(Self-propagation High-temperature synthesis,简称SHS)是前苏联科学家米尔亚诺夫(Merzhanov)于1967年首先提出的由粉末原料合成材料的一项新技术。其基本特点是：利用外部提供必要的能量诱发高放热化学反应体系局部发生化学反应（点燃），形成化学反应前沿（燃烧波），此后化学反应在自身放出热量的支持下继续进行，表现为燃烧波蔓延至整个反应体系，最后合成所需材料（粉体和固结体）lIS]。SHS是利用反应物之间的高温化学反应热的自加热和自传导的作用来合成材料的一种技术。当反应物一旦被点燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，在放热化学反应过程同时伴随相转变和结构变化。它是燃烧、质量传递、传热和凝固相互叠加的复杂过程。
该法在某些高温放热体系中可以达到几千度高温，有利于合成高温材料同时使杂质挥发，易合成高纯度材料。无论在国内还是国外，铸渗过程中都遇到了诸如冲刷、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、铸渗铸件的合格率低，且质星不稳定等许多问题。这就制约了该工艺在工业中的有效推广和应用。另外，由于影响因素的复杂性，在理论方面还缺乏统一的认识。这也阻碍了该工艺的进一步发展。基于目前的状况，本课题以工业实际生产应用为背景对铸渗过程中的一些关键影响因素和相关工艺进行研究，以得到缺陷少、获得成品率较高、质量稳定的表面合金化铸渗铸件。
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表面合金化工艺的基体材料选用铸钢，增强材料选用高铬铁粉和wc等，在此基础上，设计合金粉与熔剂的配比、粘结剂的种类等。
2分别采用“打桩法一和“涂敷法”进行表面合金化试验，并对铸渗质量进行分析，研究合金粉成分、添加剂组成、涂层厚度、烘烤温度及浇注温度对铸渗质量的影响，确定最佳工艺方案。
3铸渗层组织形貌观察，并对其相结构进行分析，即45钢表面wc/高Cr铸铁合金化的微观组织分析。
4对铸渗机制进行探讨。
5选择实际工况对实际工件（球磨机衬板）进行生产试验，得出较合理的生产工艺。
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