鑄滲法制備金屬基表面復(fù)合材料的研究進展及應(yīng)用

1、鑄滲法制備金屬基表面復(fù)合材料的研究進展及應(yīng)用周永欣12，趙西成i，呂振林2，楊西榮i摘 要:鑄滲技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種制備金屬基表面復(fù)合材料的新技術(shù)綜述這項技術(shù)在金屬鑄滲機 理鑄滲工藝方法及其影響因素等方面的研究及應(yīng)用概況，闡述鑄滲法制備金屬表面耐磨復(fù)合材料的制備工 藝方法 鑄滲機理和鑄滲組織的新進展，總結(jié)了新近幵發(fā)的一些改善鑄滲效果的工藝措施，并指出了該項技術(shù) 目前還存在的若干問題,并對其今后的發(fā)展方向進行了展望同時為金屬基表面復(fù)合材料的制備選擇和開發(fā) 提供新思路.矢鍵詞:鑄滲工藝;鑄滲機理;表面復(fù)合材料中圖分類號:tb331文獻標識碼:a文章編號:100627930(2006) 052

2、0668206圖1鑄滲機理示意圖sketch map of casting penetration mechanisms鑄滲法是近年來發(fā)展起來的一項制備金屬基表面復(fù)合材料的新技術(shù)特點是利用高溫金屬液與 制備好的粉末涂層或粉末壓坯或膏塊的反應(yīng)和滲透作用，最終在金屬鑄件表面獲得一層復(fù)合材料與其 它表面復(fù)合材料的制備方法相比鑄滲技術(shù)的突出優(yōu)點是工藝和設(shè)備簡單生產(chǎn)周期短成本低工件不 變形，能夠制備較大厚度的復(fù)合材料等,526i.e前,國內(nèi)外學(xué)者對鑄滲技術(shù)制備表面復(fù)合材料的工藝鑄 滲機理等方面進行了較為廣泛的研究.本文對鑄滲技術(shù)的工藝機理以及應(yīng)用方面進行了綜合評述.1金屬表面鑄滲的機理金屬表面鑄滲是讓金

3、屬液通過孔隙滲透到合金涂層內(nèi)，通過一系列高溫冶金物化反應(yīng)在原涂層所在位置形成 合金化層因此，作為鑄造技術(shù)和冶金強化技術(shù)的有機結(jié) 合，金屬鑄滲技術(shù)充分利用了鑄造凝固潛熱的作用，將待 滲元素熔化 分解和擴散，從而在鑄件表面形成具有特謝 性能的合金化鑄滲強化層.x.tong等人給出了如圖1所示的模型認為在金 屬液向多孔體滲透的過程中，金屬液前沿與多孔體接觸并 凝固，后續(xù)而來的過熱金屬液又使先凝固的金屬重熔并向 前推進，如此反復(fù)，滲透前沿就向整個多孔體蔓延開來，如 果金屬液的溫度足夠高，最終將填滿整個多孔體的全部孔 隙按照鑄滲復(fù)合層內(nèi)增強相的來源可將鑄滲技術(shù)分為1.1無化學(xué)反應(yīng)的鑄滲機理增強相直接加入

4、預(yù)制體內(nèi),基體金屬液通過滲透燒結(jié)等綜合作用與增強相形成冶金結(jié)合,鑄滲復(fù) 合層在形成過程中無化學(xué)反應(yīng)在金屬鑄滲過程中，鑄滲層的形成是靠凝固余熱提供的熱量使待滲元素 發(fā)生分解和擴散所致i1.2反應(yīng)鑄滲機理增強相是在鑄滲過程中由預(yù)制體內(nèi)的粉末自反應(yīng)生成,這種鑄滲技術(shù)主要是利用高溫金屬液來激3收稿日期:2005209220作者簡介:周永欣(19652)，男，陜西富平人，副教授，博士研究生，主要從事耐炳復(fù)合材料研究.發(fā)粉末的反應(yīng)體系,鑄滲復(fù)合層在金屬液與粉末層滲透反應(yīng)等綜合作用下形成血.2鑄滲法制備金屬基表面復(fù)合材料工藝2.1普通砂型鑄滲法普通砂型鑄滲法的工藝過程為：將配置好的合金粉末與粘結(jié)劑熔劑配制成

5、膏狀并涂覆在型腔表甬 的需要部位上，待鑄型干燥后澆注.由于普通砂型鑄滲法需要在型腔內(nèi)壁上涂掛合金化涂料或粘附合金 粉制成的膏塊，而膏塊存在制作工藝復(fù)雜安放固定困難和位置局限性大等問題,因此操作極不方便.該方法存在的突出問題:一是氣孔和夾渣難以去除，氣孔和夾渣主要來源于粘結(jié)劑和熔劑受熱氣化和渣化，以metallic liquid及粉末涂層或壓坯本身空隙所帶氣體和粉末吸附的氣體.ressin8flan丨p卩畀y / 劉耀輝等為避免鑄滲層中氣孔和夾雜的形成，不使用粘 結(jié)劑和熔劑，而將陶瓷顆粒和合金添加劑直接鋪蓋在下鑄 型內(nèi)需要耐磨的部位，澆注結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑄滲層內(nèi)沒有氣孔和 夾雜的形成;另外一個問題是對于

6、增強顆粒與基體潤濕性 能較差的鑄滲復(fù)合層的制備顯得無能為力，這就需要采取 改善顆粒與基體間的潤濕性或施加外力以迫使金屬液向粉 末層滲透；除以上不足之處外，普通砂型鑄滲法還存在合金 化層厚度小成本高等缺點這些問題的存在使得該工藝多被用于小批量的工藝試驗，而難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生圖2普通鑄滲工藝示意圖產(chǎn)fig. 2 sketch map of common casting penetration2.2壓力鑄滲是將合金預(yù)制體或粉末放到預(yù)熱過的壓鑄模具中，然后，澆注 高溫金屬液，接著在金屬液面上直接施加壓力使金屬液滲入預(yù)制 體或粉末層中.壓力鑄滲的優(yōu)點是增強顆粒與金屬液的潤濕角，潤濕角即使 大于90

7、0金屬液仍能夠滲透預(yù)制塊但由于鑄滲法采用的基 體金屬多為鑄鐵或鑄鋼，并且是高溫金屬液，實際操作起來有一定 的難度和制約性.2.3離心鑄滲離心鑄滲是在旋轉(zhuǎn)體的型腔內(nèi)壁預(yù)制粉末涂層，然后再均勻澆入過熱金屬液，使金屬液在離心力作用下滲入粉末涂層，凝固后圖3壓力鑄滲示意圖得到環(huán)狀金屬基表面鑄滲復(fù)合層 deo. nath等人叩在上個世紀 fig. 3 sketch map of press casting penetration 90年代初就研制了鑄鐵基sic陶瓷顆粒表面鑄滲耐磨復(fù)合材料，并對金屬液的澆注溫度離心力大小涂層的預(yù)熱溫度和鑄型預(yù)熱溫度與鑄滲復(fù)合層厚度的矣系進行了 較為系統(tǒng)的研究.y. nis

8、hda等人研究了三種離心鑄滲方式的鑄滲過程,并進行了較為詳細的理論分 析,揭示了離心鑄滲中復(fù)合層為何沿背離離心力方向，而向著軸心逐漸生長的機理.離心鑄滲的不足之處是成型的鑄件只局限于旋轉(zhuǎn)體和一些表面形狀較簡單的零件,而對于表面復(fù) 雜的零件就無能為力了.2.4負壓鑄滲負壓鑄滲工藝有實型負壓鑄滲和空腔負壓鑄滲兩種基本形式.前者預(yù)先用聚笨乙烯泡沫制備出 鑄件模型，然后在所需部位涂上鑄滲用粉末，再將模型埋入真空砂箱內(nèi)澆注，泡沫模型燃燒變?yōu)闅怏w，同 時金屬液在負壓吸力下滲入粉末涂層，凝固后形成鑄滲復(fù)合層;而后者是將鑄件模型埋入真空砂箱，并 在其上鋪蓋一層塑料薄膜，然后再抽真空澆注負壓鑄滲對于鑄滲復(fù)合層內(nèi)

9、氣孔的有效排除是非常有利 的，但是過大的負壓使鑄型散熱加快，凝固速度增大，這對于鑄滲層組織的均勻化是不利的，而且過大的負壓還會使鑄件出現(xiàn)嚴重粘砂后果，因而負壓鑄滲中負壓的大 小應(yīng)有一個最佳范圍.此外，負壓鑄滲法還可根據(jù)所需合金層厚度，在合金涂料 層內(nèi)加入一定比例的聚苯乙烯泡沫小珠粒，使其在澆注時氣 化，產(chǎn)生有利于合金液滲透的空洞，從而獲得較厚的表面合金 層也正是由于干砂消失模所具有的這些優(yōu)勢，使之與普通砂 型鑄滲法相比具有更好的發(fā)展前景3影響表面鑄滲復(fù)合層質(zhì)量的因素3.1金屬與鑄滲劑的潤濕性cast emitmodulealloy powder coatingh前，在研究屮被采用的基體金屬多為

10、鑄鐵或鑄鋼基體silicavacuum sucker圖4負壓鑄造工藝鑄滲法fig. 3 v2epc casting penetration process金屬除應(yīng)具有足夠的強韌性外，更重要的是必須對wc £ic cr2fe等鑄滲劑合金要有良好的潤濕性和定的溶解度，以保證在界面能形成以鐵為基體的固溶體，也就是說使界面呈冶金結(jié)合提高結(jié)合強度.而在鑄鐵和鑄鋼這兩種基體材料中，鑄鐵的熔點低流動性好，因而有利于浸滲，但因其含碳及雜質(zhì)元素 偏高，高溫下反應(yīng)激烈，從而影響了界面結(jié)合;而鑄鋼由于具有凝固溫度高 凝固較快和流動性差等特 點，因此形成合格鑄滲合金層的難度較大.研究證明門惑），鑄鐵基體金屬

11、多用來制造抵抗低應(yīng)力磨粒磨 損工況的耐磨件比較合適，對于一些整體要求具有較好的綜合力學(xué)性能，而工作表面要求具有特殊性能 （如耐蝕耐熱耐磨等）的工件，基體金屬則必須采用鑄鋼，才能滿足零件外硬里韌的性能要求.3.2滲劑的組成配制涂層厚度的影響為了獲得特殊性能的合金化鑄滲層，通常選用抗磨性好硬度高的抗磨合金作為鑄滲劑，如wc （hv2400） crfe b fe等除此之外,還可同時加人ti nb co ni等合金元素，以改善合金化層的其他 性能，如抗氧化性和耐高溫性等.但衽具體選擇鑄滲劑時還需考慮以下兩個問題：一是鑄滲劑與液體金 屬間的浸潤性，二者的浸潤性直接影響到鑄滲層的形成強度在改善鑄滲劑中合金

12、顆粒潤濕性的同吋優(yōu) 止合金顆粒表面氧化；二是合金顆粒的粒度，合金顆粒的粒度太粗，不利于合金顆粒在短時間內(nèi)達到熔 融狀態(tài);太細，表面積大，粘結(jié)劑用暈多,燃燒時產(chǎn)生的氣體和殘渣多，易造成鑄造缺陷，因此合金顆粒笊 粒度應(yīng)有取值范圍袁中岳等的研究，鑄滲劑中合金顆粒的粒度一般以0.125 0.635mm為宜，涂粘 的配比一般為：基體金屬與滲劑元素的合金為主占65 % -87 % ,耐火填料0 t5 % ,另外還要加入助 滲劑（如稀土）1 %t% ,熔劑2%t%（常用的有硼砂和氟化鈉），懸浮劑（如膨潤土）和粘結(jié)劑為 2 % -10 %（如水玻璃,cmc ,酚醛樹脂等）涂料層厚度應(yīng)根據(jù)鑄件滲層的具體要求來確

13、定鑄涂層薄吋，不足以形成一定厚度的合金化滲層 同時也易被金屬液沖散；過厚，不能完全被金屬液浸透和熔化，且澆注時易形成裂紋血.滲層的相對厚 度隨涂料層相對厚度（涂料層厚度與鑄件厚度之比）的增加而減少.3.3液態(tài)金屬過熱度的影響澆注溫度控制是形成鑄滲層的重要因素|2*4*7j41.澆注溫度過高，滲劑元素?zé)龘p嚴重，基體晶粒粗大； 而澆注溫度過低,合金涂層得不到足夠的熱量，熔合強度低，滲層容易脫落,擴散層薄或形不成擴散層. 同時澆注溫度低也使得金屬液流動性差，造成金屬液滲透能力下降，導(dǎo)致金屬液不易與合金顆粒熔合 常出現(xiàn)氣孔夾渣等缺陷對于澆注溫度的控制，雖然一般鑄鋼件的澆注溫度控制在1 530 t 58

14、0 °c 鑄鐵件澆注溫度控制在1 350 °c以上，但還需和合金涂料中合金相配合，如用crfe為鑄滲劑進行鑄滲 表面合金化，且母材為鑄鐵時，澆注溫度應(yīng)以1 390 °c為宜而用高碳縮鐵粉為鑄滲劑進行鑄滲表面合 金化，母材為低鐳鋼時,澆注溫度應(yīng)以1 580。偽宜.3.4金屬液滲透能力的影響合金液對合金化涂層或預(yù)制塊的潤濕性反映了金屬液滲入的熱力學(xué)條件，為了進一步強化金屬液 對涂敷層的滲透,還可以采用向液體施加外力的方法這類外力可以是外加的正壓力 負壓力，還可以是 超重力（通過離心力場或振動等方法獲得）1，22*5' 4鑄滲法制備鋼鐵基表面耐磨復(fù)合材料研究的新

15、進展4.1對鑄滲機理的探討金雪松等i冋9針對石墨砂型鑄滲過程，通過熱力學(xué) 動力學(xué)分析計算，對滲碳過程的滲碳機理進行 研究，認為石墨在鋼液中的直接溶解及碳在鋼中的擴散是產(chǎn)生石墨砂型鑄滲效果的主要原因，提出了在 碳化物析出條件下石墨砂型鑄滲過程的溫度場濃度場固相分數(shù)場相統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型.衽此數(shù)學(xué)模型 基礎(chǔ)上，利用有限元差分法對鑄滲件二維不穩(wěn)定溫度場濃度場固相分數(shù)場等進行了數(shù)值模擬計算 系統(tǒng)研究了鑄件尺寸澆注溫度鑄型預(yù)熱溫度石墨砂層厚度等因素對滲層深度碳濃度分布的影響 并由此提出了石墨砂型鑄滲工藝設(shè)計的原則；魏世忠等i對鑄鋼進行表面鑄滲研究，試驗結(jié)果表明怡 金化鑄滲層的形成主要是鋼液向涂料層浸滲，合金

16、粉末熔化，隨后與滲入鋼液混合并進行元素擴散， 最終凝固結(jié)品其中靠近型壁的合金粉末幾乎是原位熔化與鋼液混合，合金元素的擴散能力極弱，因帀 在表層及次表層形成由大量合金碳化物m7c3及fe3w3c組成的區(qū)域，碩度較高而離型壁較遠的合 金粉末，邊熔化邊向鋼液漂移，合金元素擴散能力強，凝固結(jié)晶形成一定寬度過渡區(qū).過渡區(qū)各處的結(jié) 晶條件合金元素含量不同，形成的組織也各不相同，在近界面處合金元素含量高，形成網(wǎng)狀碳化物方 布于枝晶間的混合組織，其硬度較表面層有較大下降，在界面處合金元素迅速下降，凝固結(jié)晶較緩慢， 形成鐵素體與碳化物片交替組成的羽毛狀織，硬度急劇降低.紀朝輝等|嚨2|對干砂消失模鑄鐵件表面合金

17、化的鑄滲機理進行了研究.通過建立數(shù)學(xué)模型，對錢 滲過程中的鐵液傳輸進行了理論分析，給出了鑄滲量與澆口的大氣壓力鐵液靜壓力渣液阻力及附加 壓力的矢系式，提出了鑄滲量大小主要取決于鑄滲孔道半徑的新觀點.同時還利用正交試驗對合金涂層 中合金粒度加入量熔劑加入量及涂層屮聚苯乙烯泡沫加入量等工藝因素對鑄滲層質(zhì)量的影響進行了 驗證，結(jié)果和理論計算較吻合并認為影響鑄滲速度和深度的主要因素有金屬粉末顆粒大小 金屬液叢 面張力金屬液與粉末的潤濕性金屬液的靜壓頭鑄型的真空度金屬液處于液態(tài)的時間和粘度等.圖5 sic/鋼基表層復(fù)合材料fig. 5 the interface of sic2steel surface

18、 complex material4.2鑄滲法制備金屬基表面復(fù)合材料的應(yīng)用隨著鑄滲法制備鋼鐵基表面耐磨復(fù)合材料方面的理論研究的 逐步深入，衽應(yīng)用研究方面也取得了長足的進步.mechel等妁通 過鑄滲工藝在鋼錠模上形成了 0. 2 -0.6mm的鋁合金化抗熱涂 層，使模具高溫抗磨損能力提高了 7 % t0 %;沈蜀西等切用鑄滲 方法研究鑄鐵滲珞制磚模具，生產(chǎn)結(jié)果表明，鑄鐵滲錚模具的使用 壽命為變質(zhì)鑄鐵的8t0倍,比灰鑄鐵提高26倍以上;袁中岳 等|針對承受嚴重沖蝕磨損的渣漿泵過流件，采用砂型負壓鑄滲 工藝制備了 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

19、結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的抗沖蝕磨損性 能航?jīng)_蝕磨損性能是高乍各鑄鐵(crl5mo3)的2. 7倍;祁小群等采用負壓滲透法成功制備出wc顆粒增強高鋁鑄鐵基表面復(fù)合材料噴射襯板，其耐磨性能是高路鑄 鐵的5.1倍，大大提高了使用壽命;最近我們通過一系列的試驗研究，也成功的采用負壓鑄滲法制備出sic增強鋼基復(fù)合材料如圖5所示,其宏觀形貌的斷面組織包括復(fù)合層 過渡區(qū)和基體試樣界面三個不 同的區(qū)域，復(fù)合效果良好.5結(jié)束語鑄滲技術(shù)作為制備金屬基表面復(fù)合材料的一種新工藝具有廣闊的市場應(yīng)用前景.為了進一步提議 鑄滲產(chǎn)品的質(zhì)量,擴大其工程應(yīng)用范圍，今后一段時間研究的側(cè)重點為：(1) 對鑄滲工藝理論與截面理論還需要進一步作深層

20、次的研究，如鑄滲層形成過程的熱力學(xué)動丈 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)斥 研究等；（2）加大在鑄滲機理鑄滲工藝以及鑄滲過程的數(shù)值模擬等方面的研究力度,以克服在鑄滲層形成 機理具體鑄滲工藝制定（如澆注溫度和粘結(jié)劑選擇熔劑種類和數(shù)量確定等）和數(shù)學(xué)模型建立等方面存 在的不足環(huán)節(jié)；（3）基體金屬與滲劑成分的潤濕性是否良好是影響滲層形成與品質(zhì)的首要因素，改善金屬液與滲 劑的潤濕性一直是鑄滲研究中的重要課題.參考文獻references11楊貴榮，郝 遠，宋文明，等鑄滲法制備銅基表面復(fù)合材料川復(fù)合材料學(xué)報,2005, (1):52257.yan g g

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