專利名稱：一種鑄鐵板的合金碳化物表面強化工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種材料的制備，特別是一種在鑄鐵板表層原位合成碳化物顆粒復合耐磨層的強化工藝。
背景技術：
磨損是工程構件的主要失效形式之一。對工程構件失效原因的分析表明，磨損失效常常發生在零件承受工作應力最高的表面處。因此，從降低工程構件的制造成本和合理使用材料的角度出發，應當采用價廉的韌性材料做基材，對其表面采取合理的強化措施以提高其表面的耐磨性，從而延長零件的服役壽命。因此，表面強化技術正是在這一工業應用背景下迅速發展起來的。在低應力磨損條件下，使用鑄鐵或通過對普通鑄鐵表面進行表面強化處理后能較好地滿足這一使用工況。低應力磨損主要適用于抗泥沙、碎石類磨粒在低應力、小沖擊條件下的磨粒磨損或細顆粒、小能量、小角度沖蝕磨損工況。典型應用領域及設備有壓坯機螺旋、攪拌器拌葉、壓坯機模板、礦料提升機戽斗、混均取料機料斗及斗齒、礦料輸送螺旋、溜槽、滑板、燒結機高溫礦料溜槽、鉆地螺旋葉片、紙漿攪拌葉片、原料粉碎刀具、刮板、犁鏵、 鏟、割刀、飼料粉碎機刀片、松土工具等。近幾十年來，國際上在表面強化所采用的熱源手段方面開展了大量的研究工作， 從常規熱源到激光等特種熱源的應用研究十分活躍。目前，在鑄鐵表面形成耐磨層的工藝主要有激光表面熔覆法、氙燈輻射聚焦光束法、表面鎢極氬弧重熔強化法、電火花表面強化法、熱噴涂表面強化法等。激光表面熔覆法設備復雜，使用成本高，而且能量轉換效率還很低，它的單道熔寬和熔敷量小，因而降低了生產率，提高了生產成本，而且激光表面熔覆耐磨層太薄，即硬化層的深度不夠，這在某種程度上抑制了激光表面強化技術在工業生產中的推廣應用。自60年代末德國學者首次將大功率氙燈輻射聚焦光束用于連接技術領域以來， 國際上對聚焦光束熱加工技術已經非常重視。90年代初俄羅斯學者又成功地將其應用于鑄鐵構件的表面強化技術領域。采用氙燈輻射聚焦光束做熱源對合金鑄鐵進行表面熔凝處理。研究表明，采用聚焦光束熔凝處理技術可在合金鑄鐵表面獲得一個深度為毫米級的強化層，調節功率密度和掃描速度可有效控制強化層深度和寬度。但是熔凝處理區的表面存在硬度很低的失碳層。為了提高灰鑄鐵表面的耐磨性，可用鎢極氬弧對其表面進行局部重熔強化處理。 鎢極氬弧特點是電弧功率密度大，能量非常集中，瞬間可將鑄鐵局部加熱熔化，故形成的熔池小，其高的溫度(約5000°C )和強的攪拌性，可將石墨擊碎并迅速熔解。但是電弧是移動的，對熔池作用的時間很短，移開后，對于小熔池，鑄件本體即成為強大的激冷源，根據鑄鐵的凝固特性，此時熔池中鐵水不可能有足夠長的時間和能量按穩定系轉變形成石墨，而是按亞穩定系轉變形成萊氏體和滲碳體的亞共晶組織。這就是鎢極氬弧局部重熔利用自身的加熱特點改變鑄鐵局部組織提高硬度和耐磨性的根本原因。因此，鑄鐵鎢極氬弧重熔后激冷法是有效提高其耐磨性，但是這種工藝處理易在表面產生裂紋。熱噴涂法制備的耐磨層質量較差，易脫落。感應交變磁場可在工件內產生感應電動勢，感應電動勢導致表面層內形成封閉的渦流。感應頻率越高，則加熱層的厚度越薄。適當調整感應器的輸出功率和頻率，再在被加熱表面增加保溫層，就可瞬間在鐵板表面產生熔化層。如果在熔化層中添加其它合金元素， 就可在表面形成合金強化碳化物耐磨層。因此，利用感應加熱可以在鑄鐵板表面制備出耐磨層。但是，目前報道的方法都是先在鋼板表面涂覆上與耐磨層相同材質的基料，然后再感應加熱使其熔化而在鋼板的表面形成一層新的耐磨層。

發明內容
針對現在市場上廣泛應用的鑄鐵板形材料存在的缺陷或不足，本發明的目的在于，提出一種鑄鐵板的合金碳化物表面強化工藝，可大大提高材料的耐磨性，同時還保證了原有材料的性能。為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案予以實現一種鑄鐵板的合金碳化物表面強化工藝，其特征在于，按下列步驟進行1)首先對要進行表層強化的鑄鐵板進行表面除銹；2)將鎢粉或鈦粉與丙三醇混合，并用酒精或丙酮調至稀糊狀，然后將其均勻涂覆在鑄鐵板表面；3)在涂覆有細鎢粉或鈦粉的鑄鐵板上涂敷一層1. 5mm 2. Omm的保溫涂層，保溫涂層由硅酸鋁粉末和水玻璃構成，硅酸鋁粉占95wt% ；4)用高頻感應設備進行快速熔化和快速凝固，頻感應設備的工作頻率為200 300kHz。高頻感應線圈保持水冷，高頻感應設備的區熔溫度控制在高于鑄鐵板熔點的 20°C 30范圍內，區熔2-3次，即得到合金碳化物表面強化的鑄鐵板。采用本發明生產的碳化物顆粒表層強化的表面耐磨鑄鐵板，其組織致密，由于是原位合成的碳化物，故碳化物增強相與基體金屬界面結合強度高且分布均勻。能夠很好的解決材料的高耐磨性，同時還保留了原有基材的各種性能。生產成本低且效率高、節約能源，易于大批量工業化生產。


圖1是本發明的工藝流程圖；以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式研究表明，碳化鎢(WC)或碳化鈦(TIC)顆粒由于其具有較高的比剛度、比模量、低熱膨脹系數以及良好的熱穩定性、耐磨性，因此利用碳化鎢或碳化鈦作為強化相，在鑄鐵板的表層制備出具有一定厚度的含碳化鎢或碳化鈦顆粒增強相的復合層，如果能通過W或TI 元素與C之間的反應，在金屬基體內原位合成高硬度、高彈性模量的硬質增強相WC或TIC， 從而達到強化金屬基體的目的。這樣就能夠極大地改善鑄鐵材料的耐磨性。本發明在吸取傳統碳化鎢或碳化鈦原位合成顆粒金屬基復合材料制備方法的基
4礎上，并依據表層感應區熔理論、快速凝固理論、原位合成理論、粒子漂浮等理論，首先把含有金屬鎢粉或硅粉的涂料涂覆在鑄鐵的表面，再在其上覆蓋一層保溫層，并通過高頻感應器對鑄鐵的表層進行快速熔化，在鋼板表層形成溶液層，使碳與鎢粉或硅粉在溶液層中發生化學反應以及充分擴散，并原位合成碳化物或碳化鈦顆粒，最后得到原位合成的碳化鎢或碳化鈦顆粒表層強化的系列鑄鐵板材。由于鑄鐵中的碳含量較高，因此可以利用鑄鐵基體中的碳與鎢或硅發生反應，而無需象鋼基材料需要先進行增碳處理灰鑄鐵、球鐵材料具有成本低的優勢。可以完全低應力工況條件下的使用。本發明通過在鑄鐵板型材表層制備出一種碳化鎢或碳化鈦顆粒表層強化層，大大提高材料的耐磨性，同時還保持原有鑄鐵板的性能。實施例1 制備鑄鐵基碳化鎢顆粒表層強化板目前市場上在鑄鐵表面形成耐磨層的工藝主要有激光表面熔覆法、氙燈輻射聚焦光束法、表面鎢極氬弧重熔強化法、電火花表面強化法、熱噴涂表面強化法等。每種方法都有其局限性。如果能在鑄鐵材料的表面上形成一種碳化鎢(WC)或碳化鈦(TIC)顆粒表層強化層，大大提高材料的耐磨性，同時還保證了原有材料的性能。本發明通過W或Ti元素與C之間的反應，在鑄鐵表層內原位合成高硬度、高彈性模量的硬質增強相WC或TIC，以一定體積分數的WC或TIC顆粒為抗磨硬質相的WC或TIC 顆粒/金屬基復合材料。這樣既保持了鑄鐵的原有性能，還保持了鑄鐵成本低的優點，又能發揮高硬度增強材料耐磨性好的特點，因此應用前景十分廣闊。而且通過合理選擇制備工藝，可有效地控制增強顆粒WC的大小、分布、數量和復合層的厚度。制備鑄鐵基碳化鎢顆粒表層強化板型材的具體生產過程如圖1所示先對要進行表層強化的鑄鐵板進行表面除銹(酸洗或機械打磨)，然后在鑄鐵板的表面，再把細金屬鎢粉涂覆在鑄鐵板的表面，之后再在其上涂敷一層保溫涂層，通過高頻感應器對鋼板表層進行快速熔化和快速凝固。涂覆鎢粉的方法是，將細鎢粉與丙三醇混合，并用酒精或丙酮調至稀糊狀，然后將其涂覆在鑄鐵板表面。鎢粉的粒徑為800-1000目 (18-13 μ m)。用高頻感應設備進行快速熔化和快速凝固，高頻感應表層區熔溫度控制在高于鑄鐵板熔點的20°C 30°C范圍內。高頻感應設備的工作頻率為200 300kHz，高頻感應線圈保持水冷，區熔為2-3次。區熔完成后，鑄鐵板再經過切割、機械校直等加工方法，達到要求的尺寸，最終得到碳化鎢顆粒表層強化的鑄鐵板材。保溫涂層的厚度一般控制在1. 5-2. Omm為好。保溫涂層由硅酸鋁保溫材料粉末和水玻璃構成，硅酸鋁粉占95wt%，配制保溫涂層所用的硅酸鋁保溫材料粉末的粒度為 500-800 目。實施例2 制備鑄鐵基碳化鈦顆粒表層強化板本實施例與實施例1所不同的是將鎢粉用鈦粉替換，其他工藝步驟與實施例1完全相同。具體生產操作過程如下先對要進行表層強化的鑄鐵板進行表面除銹(酸洗或機械打磨)，然后在鑄鐵板的表面，再把鈦粉涂覆在鑄鐵板的表面，之后再在其上涂敷一層保溫涂層，通過高頻感應器對鋼板表層進行快速熔化和快速凝固。涂覆鈦粉的方法是，將鈦粉與丙三醇混合，并用酒精或丙酮調至稀糊狀，然后將其涂覆在鑄鐵板表面。金屬鈦粉的粒徑為500 800目(23 μ m 18 μ m)。用高頻感應設備進行快速熔化和快速凝固，高頻感應表層區熔溫度控制在高于鑄鐵板熔點的20°C 30°C范圍內。高頻感應設備的工作頻率為200 300kHz，高頻感應線圈保持水冷，區熔一般為2-3次。區熔完成后，鑄鐵板再經過切割、機械校直等加工方法，達到要求的尺寸，最終得到碳化鈦顆粒表層強化的鑄鐵板材。保溫涂層的厚度一般控制在1. 5-2. Omm為好。保溫涂層由硅酸鋁保溫材料粉末和水玻璃構成，硅酸鋁粉占95wt%，配制保溫涂層所用的硅酸鋁保溫材料粉末的粒度為 500-800 目。
權利要求
1.一種鑄鐵板的合金碳化物表面強化工藝，其特征在于，按下列步驟進行1)首先對要進行表層強化的鑄鐵板進行表面除銹；2)將鎢粉或鈦粉與丙三醇混合，并用酒精或丙酮調至稀糊狀，然后將其均勻涂覆在鑄鐵板表面；3)在涂覆有細鎢粉或鈦粉的鑄鐵板上涂敷一層1.5mm 2. Omm的保溫涂層，保溫涂層由硅酸鋁粉末和水玻璃構成，硅酸鋁粉占95wt% ；4)用高頻感應設備進行快速熔化和快速凝固，頻感應設備的工作頻率為200 300kHz，高頻感應線圈保持水冷，高頻感應設備的區熔溫度控制在高于鑄鐵板熔點的 20°C 30范圍內，區熔2-3次，即得到合金碳化物表面強化的鑄鐵板。
2.如權利要求1所述的工藝，其特征在于，所述的鎢粉的粒徑為134!11 184111，鈦粉的粒徑為18 μ m 23 μ m。
3.如權利要求1所述的工藝，其特征在于，所述的保溫涂層所用的硅酸鋁粉末的粒度為 500-800 目。
全文摘要
本發明公開了一種鑄鐵板的合金碳化物表面強化工藝，首先對要進行表層強化的鑄鐵板進行表面除銹，再把含有鎢粉或鈦粉的涂料涂覆在鑄鐵板的表面，之后再在其上涂敷一層保溫涂層，并烘干，通過高頻感應器對鑄鐵板表層進行快速熔化，在鑄鐵板表層形成溶液層，使鑄鐵中熔化層中的碳與鎢或鈦在溶液層中發生化學反應以及充分擴散，并原位合成碳化物顆粒。待表層凝固后除掉鑄鐵板表層的涂覆層。最后得到原位合成的WC或TiC顆粒表層強化的系列鑄鐵板。既保持了鑄鐵的固有特點，又改善了耐磨性。WC或TiC復合層的厚度可達到3-5mm，硬度HRC58-60。具有生產成本低、易于大批量工業化生產等優點。
文檔編號C23C24/10GK102352507SQ201110329068
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者王發展 申請人:西安建筑科技大學