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1緒論
1.1引言
    隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對機械產(chǎn)品等各種零部件表面的性能要求越來越高，要求能在高速、高溫、高壓、重載、嚴(yán)重摩擦及腐蝕介質(zhì)等苛刻的工況下可靠而持續(xù)地工作。其中，金屬磨損是造成機械零件失效的主要原因之一。統(tǒng)計表明：在失效的機械零件中，大約有75～80%是屬于金屬磨損供給機器的能量大約有30%—45%消耗于摩擦和磨損過程中，為改變現(xiàn)狀，這就對制造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，同時也推動了表面材料的發(fā)展。表面技術(shù)的高速發(fā)展使工件的性能提高、降低成本。由于資源的有限，提高機器、儀表、裝置等零部件的可靠性和耐磨性，提高其質(zhì)量和工作效率，節(jié)約金屬材料和能源，降低生產(chǎn)成本等問題，已成為迫切需要解決的問題。這些問題的解決首先與零部件表面的強化有關(guān)。其中，金屬基復(fù)合材料就成了國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱門課題之一，金屬基復(fù)合材料(MMC)的大規(guī)模研制和開發(fā)工作起步于20世紀(jì)80年代，主要是對低熔點金屬鋁、鎂等的復(fù)合增韌。通過使用低密度陶瓷基增韌材料，加工合成的鋁基或鎂基復(fù)合材料的韌性得到了極大的提高。以這些材料制成的結(jié)構(gòu)件代替原來的金屬材料構(gòu)件，構(gòu)件質(zhì)量得到了顯著減少，這一成果在航空、航天領(lǐng)域具有十分重大的意義。在礦山等行業(yè)中，金屬基復(fù)合材料也得到了應(yīng)用，例如：耐火制品成型模具、球磨機的襯板、破碎機的錘頭等。零部件的表層性能在機器和儀表裝置的耐用方面所起的作用特別大，因為絕大部分是由于表面性能不佳，引起零部件的早期失效，如磨損和腐蝕。又由于大多數(shù)工業(yè)部門的發(fā)展都涉及到提高載荷、溫度和介質(zhì)的浸蝕性，如何提高工件的表面質(zhì)量和性能就成為提高工件的可靠性和耐用性的主要研究課題之一。根據(jù)不同的表面強化的機理，可以將金屬表面強化技術(shù)可分為兩類：
(1)在表面上鍍覆具有所需性能的新材料，
(2)改變金屬表層的成分，以保證預(yù)期的性能變化。
    其中熔鑄滲是屬于第二類方法，但又與之不同，該技術(shù)是鑄造技術(shù)和冶金強化技術(shù)的統(tǒng)一結(jié)合，是利用鑄造凝固余熱將待滲元素熔化、分解、擴散。從而在鑄件表面形成特殊性能層，實用于不經(jīng)過加工和熱處理的鑄件，起到表面強化作用。該技術(shù)的應(yīng)用很好地解決了破碎機錘頭的失效問題：錘頭在和礦石碰撞時會很快地磨損，用普通的鋼材做錘頭不能滿足工況要求，表面需要一層耐磨的特殊材料，比如11VC或高鉻鑄鐵，而破碎機錘柄部分在錘頭端部與物料相撞擊時承受很大的彎曲應(yīng)力，因此，錘柄部分應(yīng)具有較高的強度和韌性。鑄鋼具有良好的塑韌性和強度，通過鑄造方法制造雙金屬復(fù)合材料既滿足了錘頭端部工作面硬度和抗磨性的要求，又滿足了錘柄的強度要求，這種復(fù)合錘頭不但使用壽命大幗地提高，較全部采用高錳鋼制造的錘頭生產(chǎn)成本也明顯下降。
    獲得雙金屬耐磨材料的常用鑄造方法有雙液雙金屬法和液一固復(fù)合鑄造工藝。所謂雙液雙金屬法鑄造工藝是指在一定的澆注溫度下將兩種液態(tài)金屬先后澆注到同一鑄型中去，待冷卻凝固后獲得同時具有兩種材質(zhì)特性的雙金屬復(fù)合鑄件的鑄造工藝。華北電力學(xué)院的安江英對高鉻白口鐵—碳鋼鑄造雙金屬鑄件的結(jié)合機理以及對雙金屬材料的結(jié)合層的顯微組織和性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為雙液雙金屬工藝的發(fā)展提供了可靠的理論依據(jù)。
    其中，鑄滲法的主要優(yōu)點有：
    1、可根據(jù)零件的使用要求涂敷不同形狀、不同厚度、不同材質(zhì)的待合金化金屬；
    2、可在零件的一個或多個部位生成合金層，鑄滲件表面質(zhì)量較易控制；
  3、工藝過程簡單，成本較低，不需增添新設(shè)備，在一般的鑄造條件下便能生產(chǎn)；
    4、表面復(fù)合材料的采用，既照顧了磨損部位的抗磨要求，又兼顧了整體材料抗沖擊的要求，還降低了制造成本，提高了材料利用率；
    5、對于較大型的零件，采用鑄滲方法進(jìn)行表面強化方便可行。
    我國用鑄造法制造耐磨件方面的研究和應(yīng)用已取得一定的成績，鑄滲工藝制造的錘頭、導(dǎo)衛(wèi)、鏟齒、鄂板、風(fēng)扇磨沖擊扳已獲得成功，并用于生產(chǎn)。其耐磨性得到成倍地提高，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。目前各國對鑄造表面合金化技術(shù)的研究多著重于工藝，雖然取得了很大進(jìn)展，但關(guān)于合金化機制問題卻缺乏較深入的探索。因此，為了進(jìn)一步提高鑄滲產(chǎn)品的質(zhì)量，擴大其工程應(yīng)用，對鑄滲工藝?yán)碚撆c截面理論還需要進(jìn)一步作深層次的研究，如鑄滲層形成過程中的熱力學(xué)、動力學(xué)原理和鑄滲層凝固的控制等．同時還要注意鑄滲表面復(fù)合材料凝固過程的研究以及在工程上的應(yīng)用研究等。
1.2表面合金化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展概況
    目前，用鑄造方法制造雙金屬復(fù)合材料已成為一種提高材料性能及實現(xiàn)材料各方面性能良好配合的主要途徑之一，并得到日益廣泛的研究和應(yīng)用。使用雙金屬復(fù)合材料的推動力是由于它們可以降低成本、改善材料性能以及合理地使用材料的優(yōu)點。
    由于界面問題對雙金屬復(fù)合鑄造制備復(fù)合材料影響很大，所以雙金屬復(fù)合鑄造工藝成敗關(guān)鍵在于兩種金屬的界面融合優(yōu)劣和結(jié)合強度的高低。
    液一固復(fù)合鑄造工藝通常包括鑄滲法和鑲鑄法。鑄滲法是將合金粉末或陶瓷顆粒等增強相預(yù)先固定在型壁的特定位置上，通過一次性澆注成型的方法使鑄件表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫等特殊性能的一種材料表面處理技術(shù)鑲鑄法主要是在型腔某部位預(yù)先放入具有良好耐磨性的預(yù)制塊，如高鉻白口鐵、硬質(zhì)合金等，然后向型腔內(nèi)澆注具有良好韌性的母液，如普通碳素鋼、低合金鋼等，通過母液強烈的熱作用，使鑲塊與母液接觸的界面上在一定的時間內(nèi)處于熔化或溶解狀態(tài)并發(fā)生元素的相互擴散及冶金反應(yīng)，冷凝后，鑲塊與母材牢固的熔焊為一體。
    20世紀(jì)80年代，清華大學(xué)易又南[12]等人對鑄滲進(jìn)行了研究，他們以高鉻白口鐵為基，鑲鑄不同數(shù)量的wc顆粒作為鑄滲材料，對風(fēng)扇耐磨沖擊板進(jìn)行了實驗。結(jié)果表明，復(fù)合材料的耐磨性比原材料材質(zhì)的沖擊板ZG50Mn2的耐磨性提高28%。wc表面鑄滲的耐磨性比高鉻白口鐵表面鑄滲層的耐磨性提高了7倍。祁小群等人采用負(fù)壓鑄滲法成功制備出wc顆粒增強高鉻鑄鐵基表面復(fù)合材料噴射口襯板，所得復(fù)合層厚度可達(dá)8mm～10mm，而且在三體磨料磨損條件下，復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，耐磨性是鑄態(tài)Cr20的5.1倍，在實際工況條件下使用該噴射口襯板，其壽命是高鉻鑄鐵的3.5倍。張曉玲等也成功地用無壓滲透法制各了灰鑄鐵基表面復(fù)合材料，復(fù)合層達(dá)8mm。
    鑄滲是一種制備金屬基表面復(fù)合材料的新技術(shù)，它源于涂敷鑄造工藝。1913年由美國人Davis創(chuàng)立，美國、德國、和日本等國在這方面的研究比較前沿。鑄滲法制各鋼基表面耐磨復(fù)合材料就是將合金粉末或陶瓷顆粒(如Sioz)等預(yù)先固定在型壁的特殊位置上，通過一次性澆注鋼液的方法使鑄件表面形成符合層，該復(fù)合層具有耐磨、耐蝕、耐高溫等特殊性能。一般來說，這種制各工藝包括普通鑄滲制備工藝和消失模( V-EPC)法鑄滲制備工藝，其中V-EPC法是當(dāng)今研究的熱門，被稱為“第三代造型方法應(yīng)具有較高的硬度和抗磨性。
    鑄滲法雖然很早就為國內(nèi)外鑄造工作者所關(guān)注，但至今尚未得到推廣應(yīng)用。其原因是由于對鑄滲過程理論上研究不夠，許多工藝上的問題難以解決。
    首先要考慮的問題是能否使用此法生產(chǎn)出合格鑄件，滲層厚度能否滿足工況要求。影響鑄滲層質(zhì)量的主要因素有合金化涂層（或增強相）的組成及其配制工藝、母材的合金分類、鑄滲工藝參數(shù)等。其中改善液態(tài)金屬與涂敷層表面的浸潤性，一直是鑄滲研究中的一個重要課題。為了進(jìn)一步強化金屬液對涂敷層的滲透，還可以采用向液體施加外力的方法。隨著鑄滲法制備鋼基表面耐磨復(fù)合材料方面的理論研究的逐步深入，20世紀(jì)90年代以來，在應(yīng)用研究方面也取得了長足的進(jìn)步。Mechel通過鑄滲工藝在鋼錠模上形成了0.2-0.6mm的鋁合金化熱涂層，使模具高溫抗磨損能力提高了7070~20%．沈蜀西Il5J等用鑄滲方法研究鑄鐵滲鉻制磚模具。生產(chǎn)結(jié)果表明，鑄鐵滲鉻模具的使用壽命為變質(zhì)處理鑄鐵的8-10倍，比灰鑄鐵提高26倍以上。蔣業(yè)華【1q等針對承受嚴(yán)重沖蝕磨損的渣漿泵過流件，采用沙型負(fù)壓鑄滲工藝制各了wc/灰鑄鐵基表面復(fù)合材料。結(jié)果表明，wc/灰鑄鐵基表面復(fù)合材料具有良好的微觀組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的抗沖蝕磨損性能，抗沖蝕磨損性能是Cr15M03高鉻鑄鐵的2-7倍，砂型負(fù)壓鑄滲工藝可進(jìn)行大面積型曲面的復(fù)合。
按照表面合金化制備金屬基表面復(fù)合材料工藝的不同，可以分為幾類：
1. 2.1普通鑄滲工藝
    在鑄滲工藝發(fā)展的初期，利用在鑄型表面涂刷以合金粉末為主的涂料，利用液態(tài)金屬的流滲能力、金屬液的余熱并使金屬液與金屬粉末間發(fā)生冶金反應(yīng)，直接在鑄件表面形成合金化層。所用涂料以欲合金化的元素為主，添加一定比例的粘結(jié)劑和熔劑等制成，烘干鑄型后澆注成型。
    ‘后來的研究發(fā)現(xiàn)，以合金膏塊代替合金涂層，將合金膏塊放置在型腔中的適當(dāng)部位，可以進(jìn)一步提高鑄滲層的質(zhì)量，而且在鑄滲層中可以保留較多的合金顆粒作為硬質(zhì)相，以提高耐磨性。膏塊法要求涂層在澆鑄過程中的發(fā)氣量較小，殘留物少，潤濕性好。
1.2.2離心鑄滲工藝
    離心鑄滲是在旋轉(zhuǎn)體型腔預(yù)制粉末涂層，然后在澆入過熱金屬液，使金屬液在離心力的作用下滲入粉末涂層中腔內(nèi)，離心鑄造法在生產(chǎn)雙金屬滾套筒類鑄件中應(yīng)用最為廣泛。雙金屬離心鑄造是在先澆注的外層金屬基本凝固時澆入內(nèi)層金屬液，兩層金屬通過組分?jǐn)U散或外層金屬的重熔實現(xiàn)兩層金屬的冶金結(jié)合，使外層金屬與內(nèi)層金屬融合成一個整體。它的工藝要求包括：外層金屬的熔點應(yīng)略高于內(nèi)層金屬的熔點；減少內(nèi)層金屬澆注后對外層金屬的侵蝕程度；掌握合適的外層金屬與內(nèi)層金屬的澆注溫度和澆注速度；并保證適當(dāng)?shù)膬蓪咏饘僖簼沧�時間問隔是獲得良好產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)。張軍等人進(jìn)行了鑄鐵耐熱表面合金化研究，在離心場中進(jìn)行實驗，在鑄件表面獲得了2～4mm厚的合金化層。由于合金化層內(nèi)產(chǎn)生的雜質(zhì)和氣體在離心場中上浮一，因此，鑄造缺陷大大減少。王玉偉等人研究了離心鑄滲工藝制造增，強表面復(fù)合材料。SiC顆粒在自制專用離心機的鑄型中，靠離心力形成了具有一定緊密程度的SiC顆粒套，它具有一定的空隙率。SiC粒子預(yù)成型套在離心力的作用下滲入鐵水后，便形成了在基體中均勻分布一定數(shù)量強化相(SiC粒子)的表面復(fù)合材料。
    此外，通過震蕩也可提高金屬液對涂敷層的滲透能力，其原理與利用離心場相似，都是通過超重力提高滲透速度來強化滲透。離心鑄滲也有不足之處，如鑄件只局限于旋轉(zhuǎn)體和一些形狀較簡單的零件，對于表面形狀復(fù)雜的零件就無能為力了。
1.2.3負(fù)壓鑄滲工藝
    負(fù)壓鑄滲也叫真空吸鑄。此法無需粘結(jié)劑，采用機械真空吸附作用來固定合金粉末，由真空所產(chǎn)生的負(fù)壓使合金粉末緊緊地壓在鑄型壁上，從而避免被金屬液沖散，增強了金屬液與合金粉末的接觸，加強了金屬液向合金粉末的滲透能力．由于該法不用粘結(jié)劑，所以消除了鑄件因粘結(jié)劑分解而產(chǎn)生的氣孔，夾雜等缺陷。該工藝有兩種基本形式，即空腔負(fù)壓鑄滲（簡稱V法鑄滲）和V-EPC鑄滲工藝。
    空腔負(fù)壓鑄滲發(fā)（V法鑄滲）砂型只用干砂，不需添加粘結(jié)劑，其基本原理是在帶抽氣室的砂箱內(nèi)添入單一千砂稍加微震緊實，然后對型面和砂箱背面覆有塑料薄膜的砂箱抽真空，利用砂箱內(nèi)外的壓力差使鑄型定型，然后起模合箱，在保持真空狀態(tài)下澆注金屬液。與傳統(tǒng)砂型鑄造相比V法鑄造表面光潔度好，尺寸精度高、工藝操作簡便，使用范圍廣，生產(chǎn)成本低，但是這種生產(chǎn)方法也存在一個缺陷，即粘砂問題相當(dāng)嚴(yán)重，設(shè)備投入較多。
   V-EPC鑄滲工藝也叫實型負(fù)壓鑄滲工藝，即用聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)制各試件模型，將增強顆粒均勻涂于試件(EPS)需要合金化的表面，組裝成模組后涂耐火材料，烘干后造型。增強顆粒可采用鉻鐵、鉬鐵、釩鐵顆粒和碳化鎢顆粒等。澆注過程中抽真空形成負(fù)壓將泡沫和涂膠燃燒產(chǎn)生的氣體抽走，利于金屬液在顆粒間的滲透，并可防止涂覆層被金屬液沖散，凝固后形成高質(zhì)量的顆粒表面復(fù)合材料。該工藝使用簡便，不必考慮涂層，膏塊的安放、固定。且該法生產(chǎn)的鑄件尺寸精度高、加工余量小，表面光潔、無環(huán)境污染、成本低等，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途鑄造工藝，被國際材料學(xué)界譽為21世紀(jì)綠色鑄造工程。
1.2.4  SHS鑄滲法制備表面陶瓷一金屬復(fù)合材料
    自蔓延高溫合成技術(shù)，(Self-propagation High-temperature synthesis,簡稱SHS)是前蘇聯(lián)科學(xué)家米爾亞諾夫(Merzhanov)于1967年首先提出的由粉末原料合成材料的一項新技術(shù)。其基本特點是：利用外部提供必要的能量誘發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng)體系局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（點燃），形成化學(xué)反應(yīng)前沿（燃燒波），此后化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，表現(xiàn)為燃燒波蔓延至整個反應(yīng)體系，最后合成所需材料（粉體和固結(jié)體）lIS]。SHS是利用反應(yīng)物之間的高溫化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)的作用來合成材料的一種技術(shù)。當(dāng)反應(yīng)物一旦被點燃，便會自動向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播，直至反應(yīng)完全，在放熱化學(xué)反應(yīng)過程同時伴隨相轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)變化。它是燃燒、質(zhì)量傳遞、傳熱和凝固相互疊加的復(fù)雜過程。
    該法在某些高溫放熱體系中可以達(dá)到幾千度高溫，有利于合成高溫材料同時使雜質(zhì)揮發(fā)，易合成高純度材料。無論在國內(nèi)還是國外，鑄滲過程中都遇到了諸如沖刷、氣孔、夾渣、滲透能力差、滲透深度不均勻、粘砂和表面粗糙度高、鑄滲鑄件的合格率低，且質(zhì)星不穩(wěn)定等許多問題。這就制約了該工藝在工業(yè)中的有效推廣和應(yīng)用。另外，由于影響因素的復(fù)雜性，在理論方面還缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識。這也阻礙了該工藝的進(jìn)一步發(fā)展。基于目前的狀況，本課題以工業(yè)實際生產(chǎn)應(yīng)用為背景對鑄滲過程中的一些關(guān)鍵影響因素和相關(guān)工藝進(jìn)行研究，以得到缺陷少、獲得成品率較高、質(zhì)量穩(wěn)定的表面合金化鑄滲鑄件。
1.3本課題的研究內(nèi)容
    在本實驗中，由于影響表面合金化復(fù)合層質(zhì)量的因素較多又較復(fù)雜，結(jié)合工廠實際使用鑄件的工況條件，選擇以下幾方面作為研究內(nèi)容：
  1表面合金化工藝的基體材料選用鑄鋼，增強材料選用高鉻鐵粉和wc等，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計合金粉與熔劑的配比、粘結(jié)劑的種類等。
  2分別采用“打樁法一和“涂敷法”進(jìn)行表面合金化試驗，并對鑄滲質(zhì)量進(jìn)行分析，研究合金粉成分、添加劑組成、涂層厚度、烘烤溫度及澆注溫度對鑄滲質(zhì)量的影響，確定最佳工藝方案。
  3鑄滲層組織形貌觀察，并對其相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，即45鋼表面wc/高Cr鑄鐵合金化的微觀組織分析。
  4對鑄滲機制進(jìn)行探討。
  5選擇實際工況對實際工件（球磨機襯板）進(jìn)行生產(chǎn)試驗，得出較合理的生產(chǎn)工藝。
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