專利名稱：外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe－C復合材料的制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬復合材料的制備技術，主要涉及的是一種外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法。
背景技術：
金屬基復合材料(MMCMetal Matrix Composites)作為21世紀的一種新材料，雖然僅有30多年的發展歷史，但業已顯示出強大的生命力。金屬基復合材料與聚合物基復合材料相比具有以下特點高溫強度好；高的橫向強度；較好的導熱性，線膨脹系數小、組織結構穩定性好；抗腐蝕；可焊接；并且能夠局部強化，因此，金屬基復合材料，特別是陶瓷顆粒增強金屬基復合材料(PMMC)更具有吸引力。工業上許多部件是由高硬度耐磨表面材料和強韌的芯部材料組成的復合結構。尤其是那些工作表面經受間歇腐蝕作用的旋轉部件，例如，軋輥(環)，滾動導衛等部件。WC作為一種超硬材料，具有很好的耐磨性，可作為工作表面，芯部用強韌性良好的鋼鐵材料，以抵抗外加載荷的沖擊。許多技術已提供了由WC材料覆蓋表面的機器部件。金屬基復合材料研究多以鋁、鎂、鋅、銅等有色金屬基復合材料為多，而對傳統的鋼鐵材料由于其熔點高，比重大，比強度小，制造工藝復雜等，使鐵基復合材料的研究受到限制，隨著工業的迅速發展，對材料的性能價格比要求越來越高，高溫高速磨損條件下工作的零件向鋼鐵材料提出更高的要求。大斷面顆粒增強Fe-C復合材料是將陶瓷顆粒加入到Fe-C合金基體中以提高其彈性模量、硬度、耐磨性和高溫性能，使其應用于象軋輥(環)在高溫、高速、耐磨環境中工作的部件。
軋輥(輥環)通常采用復合材料結構，例如，高Cr鑄鐵(鋼)或高Ci-Ni無限冷硬鑄鐵的工作表面層和高強韌的芯部。但是，這種復合結構軋輥(輥環)的高溫耐磨性，不能滿足線、棒材軋機高速化要求。國外八十年代末，國內九十年代初，采用碳化鎢顆粒(WC)和鈷(Co)粉末冶金的高速線材軋機輥環，原材料和加工成本相當高，價格昂貴(500元左右/公斤)，材料利用率極低(小于30％)，不能再循環利用；同時，不適合于生產大型和中間工作長度大的軋輥(輥環)。九十年代中期，瑞典山特維克公司采用OSPREY法噴射沉積(spraydeposition)制造高碳(3％)高速鋼(6％Co，8％V，6％Cr，4％Mo，7％W)的棒材精軋機輥環(外徑345mm，內徑180mm，硬度HRC60)，其價格昂貴，例如，Co價格是W的10倍，我國Cr、Mo、V資源較為缺乏，且這種工藝復雜，不利于大批量生產。九十年代初，日本采用熱等靜壓HIP(hot isostaicpressing)法制造線材精軋機高碳(2.5％)高速鋼(10％Co，8％V，4％Cr，4.7％Mo，13.7％W)粉末冶金軋輥。九十年代末，我國鋼鐵研究總院也研究用熱等靜壓(HIP)法制造高碳高速鋼粉末冶金復合軋輥。但是，HIP法只適用于小型軋輥，生產成本更高，設備昂貴，制造工藝復雜。國內劉耀輝等人研究，以及許大慶等人研究，均為表面鑄滲薄層(3-5mm)WCp/Fe-C復合材料，不能滿足高速線材輥環多次重復修正磨輥。國內王恩澤等人研究噴射法制造WCp/Fe-C復合材料，芯部仍為復合材料，制備工藝復雜，制造成本高，不能再循環利用。

發明內容
本發明的目的即是提出一種外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，本發明所提出的制備方法為將加熱熔化的Fe-C基體合金與預熱的增強顆粒同時加入繞水平軸高速旋轉的金屬鑄型中，高溫Fe-C基體合金液與預熱的增強顆粒在離心場中混合后形成環形混合體，利用增強顆粒與Fe-C合金液之間的密度差，使增強顆粒沿環形徑向向外或向內遷移，形成增強顆粒/Fe-C復合材料的外層或內層和Fe-C合金基體的復合結構部件。
為獲得高體積分數的復合材料層，金屬鑄型的離心力轉速大于1200rpm，Fe-C基體合金澆注溫度大于1400℃。
本發明所述的增強顆?；旌锨霸诒Ｗo氣氛下預熱到300℃以上，以減小增強顆粒的急冷作用，保證增強顆粒的充分遷移和與基體合金的冶金結合。
金屬鑄型的內壁具有保溫層，在制備過程中可有效阻止熱量從鑄型中散失，降低熔融基體合金的冷卻速度，有利于增強顆粒的遷移和與基體合金的結合。
本發明提出的制備方法可制備出斷面大于20mm，體積分數50-85％的高耐磨增強顆粒/Fe-C復合材料工作層和Fe-C合金基體組成的復合材料環形部件，制備的部件無鑄造、裂紋缺陷。
本發明方法可用于制備高溫高速工況下耐磨部件，如高速線、棒材軋機軋輥(環)，高速滾動導衛等部件。本發明與其它制備方法相比，具有以下優點1、復合材料層的厚度可以根據使用要求任意控制。
2、復合材料層中增強顆粒分布均勻，體積分數可根據性能要求控制在50-85vol％。
3、基體合金及其組織可以設計。
4、復合材料工作層材料利用率高(大于95％)，基體合金可再循環利用。
5、生產工藝簡單，制備成本低。


附圖1為本發明復合材料環形部件制備裝置結構示意圖。
附圖2為所制備環形部件的徑向切片圖。
附圖3為所制備部件復合材料層內WCp分布圖。
圖中，1、電機，2、變速器，3、金屬鑄型，4、保溫層，5、Fe-C基體合金熔融體和增強顆粒混合物，6、增強顆粒引入裝置，7、基體合金引入澆道，8、澆包。
具體實施例方式
結合附圖，給出本發明實施例本發明實施例給出WCp/Fe-C復合材料外層和芯部Fe-C合金基體組成的復合結構環形部件的制備制備過程中將中頻爐熔化的Fe-C基體合金，其成分范圍為2.5～3.5％C，1.0～2.0％Si，＜0.8％Mn，1.0～1.6％Cr，3～4％Ni，0.2～0.5％Mo，S.P≤0.08，0.005～0.008％RE，余量為鐵，在1500℃出爐后，同預熱的尺寸為100～200μm的增強顆粒同時加入繞水平軸高速旋轉的圓柱形金屬鑄型3中，轉速為1400rpm。該實施例的增強顆粒為碳化鎢顆粒WCp，金屬鑄型具有保溫層4，金屬鑄型3由電機1通過變速器2帶動高速旋轉，經澆包8澆入的高溫Fe-C基體合金液通過基體合金引入澆道7，同增強顆粒引入裝置6分配的預熱WC顆粒在離心場中混合后形成環形混合體5，其中，基體合金引入澆道7前端伸入金屬鑄型內，其伸入部分具有使Fe-C基體合金液流出的側向開口槽，基體合金液沿側向開口槽流入金屬鑄型內；增強顆粒引入裝置主要包括可調節流量的管道和前端的顆粒分配器，增強顆粒由管道引入顆粒分配器內，顆粒分配器的前端伸入到金屬鑄型內，其前端的下部具有多個分配孔，以使增強顆粒與Fe-C合金液在旋轉的鑄型中均勻混合后撒布在具有保溫層的金屬鑄型內，在離心場中形成環形混合體5，WC顆粒由于密度(17.6g/cm3)大于Fe-C合金液密度(7.1g/cm3)而沿環形徑向向外層遷移，形成WCp/Fe-C復合材料外層和芯部Fe-C合金基體的復合結構環形部件。
實施例2其制備方法同實施例1，增強顆粒采用碳化鈦(TiC)顆粒，TiC顆粒與Fe-C合金液均勻混合后，在離心場中形成環形混合體5，TiC顆粒由于其密度(4.93g/cm3)小于Fe-C合金液密度(7.1g/cm3)而沿環形徑向向內層遷移，形成TiCp/Fe-C復合材料內層和外層Fe-C合金基體的復合結構環形部件。
如圖2所示，制備的復合結構環形部件徑向切片分析，WCp/Fe-C復合材料層厚度大于20mm，復合材料層厚度可通過控制增強顆粒加入量加以控制，復合材料層內WCp體積分數大于70％，WCp體積分數可通過離心機轉速控制在70-85％。
本發明制備方法中，其增強顆?？蔀樘沾刹牧项w粒、金屬顆粒，如WCp、TiC、VC、SiC、Al2O3、鉻鐵粉、鎢鐵粉、鈦鐵粉、鈮鐵粉等。
金屬鑄型中其保溫層4為砂型保溫層，其厚度一般為20-40mm。
權利要求
1.一種外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，其特征是將加熱熔化的Fe-C基體合金與預熱的增強顆粒同時加入繞水平軸高速旋轉的金屬鑄型中，高溫Fe-C基體合金液與預熱的增強顆粒在離心場中混合后形成環形混合體，利用增強顆粒與Fe-C合金液之間的密度差，使增強顆粒沿環形徑向向外或向內遷移，形成增強顆粒/Fe-C復合材料的外層或內層和Fe-C合金基體的復合結構部件。
2.根據權利要求1所述的外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，其特征是金屬鑄型(3)的離心力轉速大于1200rpm。
3.根據權利要求1所述的外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，其特征是所述的Fe-C基體合金的澆注溫度大于1400℃。
4.根據權利要求1所述的外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，其特征是所述的增強顆粒混合前在保護氣氛下預熱到300℃以上。
5.根據權利要求1所述的外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，其特征是所述的增強顆粒為陶瓷材料。
6.根據權利要求1或5所述的外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，其特征是所述的增強顆粒為WC顆粒、TiC顆粒、VC顆粒、SiC顆粒、Al2O3顆粒。
7.根據權利要求1所述的外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，其特征是所述的增強顆粒為金屬材料。
8.根據權利要求1或7所述的外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe-C復合材料的制備方法，其特征是所述的增強顆粒為鉻鐵粉、鎢鐵粉、鈦鐵粉、鈮鐵粉。
全文摘要
本發明提出的外加顆粒增強大斷面高體積分數Fe－C復合材料的制備方法，將加熱熔化的Fe－C基體合金與預熱的增強顆粒同時加入繞水平軸高速旋轉的金屬鑄型中，高溫Fe－C基體合金液與預熱的增強顆粒在離心場中混合后形成環形混合體，利用增強顆粒與Fe－C合金液之間的密度差，使增強顆粒沿環形徑向向外或向內遷移，形成增強顆粒/Fe－C復合材料的外層或內層和Fe－C合金基體的復合結構部件。本發明具有以下優點復合材料層的厚度可以根據使用要求任意控制；復合材料層中增強顆粒分布均勻，體積分數可根據性能要求控制在50－85vol％；基體合金及其組織可以設計；復合材料工作層利用率高，基體合金可再循環利用；生產工藝簡單，制備成本低。
文檔編號B22D13/00GK1698996SQ20041001029
公開日2005年11月23日 申請日期2004年5月21日 優先權日2004年5月21日
發明者宋延沛, 董企銘, 毛協民, 李秉哲 申請人:河南科技大學