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    铸造表面合金化的铸件基本原理及工艺分析

    类别:行业动态   发布时间:2020-03-09 17:20:12   浏览:

      1铸造外表合金化的基本原理

      铸造外表合金化又称铸渗,首先即将铸渗的合金粉末或陶瓷颗粒等增强相预先固定(经过涂料或以膏块形式张贴)在型壁的特定位置上,然后浇注金属液,让金属液经过孔隙浸透到合金涂层内,包围合金颗粒,在熔剂和其它添加剂的共同效果下,经过一系列高温冶金物化反响在原涂层所在位置构成合金化层。

      2铸造外表合金化影响要素

      为了取得较好质量的铸件外表合金化铸渗层,有必要在铸渗进程中对工艺要素进行严格操控,在影响铸件铸渗层质量的很多工艺要素中,以基体金属,增强颗粒,浇注温度,涂层厚度,粘结剂和溶剂等的影响最为显着。

      (1)基体金属的影响。一般而言,基体金属除应具有满足的强韧性外,更重要的是有必要对铸渗剂合金要有杰出的潮湿性和必定的溶解度,以保证在界面呈冶金结合,进步结合强度。

      (2)增强颗粒的影响。为了取得特别功能(如耐蚀,耐热,耐磨)的复合合金层,一般选用抗磨性好,抗氧化性好,硬度高,耐高温的抗磨资料作为增强相。增强颗粒的挑选须考虑增强颗粒的弹性模量,热膨胀系数,显微硬度,耐压强度,密度,热安稳性等。但在详细挑选增强颗粒时还需考虑以下两个问题。一是颗粒与液体金属间的浸润性,二是合金颗粒的粒度。

      (3)浇注温度的影响。浇注温度操控是构成铸渗层的重要要素。浇注温度过高,渗剂元素烧损严重,基体晶粒粗大,一起合金涂料也简略被浇注金属液冲散。而浇注温度过低,合金涂层得不到满足的热量,融合强度低,渗层简略脱落,分散层薄或形不成分散层。

      (4)涂层厚度的影响。涂层薄时,不足以构成必定厚度的合金化渗层,一起也易被金属液冲散;过厚,不能彻底被金属液浸透和熔化,且浇注时易构成裂纹。一般铸渗层随涂刷厚度的添加而增厚。

      (5)粘结剂的影响。粘结剂是保证铸渗能否成功的一个不可忽视的要素,它的效果,一是渗剂的彼此粘结,二是和型腔外表的粘结,所以挑选粘结剂应依据以下准则:①高温溃散性好,不烧结;②易于上浮,尽可能少地构成夹渣;③具有较高的高温强度,不易为钢水冲散;④发气量少,易于铸渗深度的进步;⑤用量尽可能少。

      (6)熔剂的影响。熔剂的效果是改进合金颗粒的潮湿才能,避免合金颗粒外表氧化,有洁净外表的效果。一般选用复合熔剂,以利于铲除合金层中的熔渣。可是加入过多,使合金涂料强度变差,易构成铸造缺点,所以其加入量要适量。

      3铸造外表合金化的制备工艺

      3.1一般的铸渗工艺

      该工艺是运用在铸型型腔外表涂刷以合金粉末为主的涂料,运用金属液的流渗才能,金属液的余热使金属液与金属粉末间发作冶金反响。一般的铸渗工艺关于增强颗粒与基体潮湿功能较差的铸渗复合层制备显得力不从心,这就需求采纳改进颗粒与基体间的潮湿性以迫使金属也向渗剂浸透。正压力,离心力或振动办法,负压力等办法都能够强化金属液对涂敷层的浸透才能。该工艺的长处是:工艺简略,设备投入少,出产本钱低,一般多适用出产外表耐磨铸件。但其不足是易发作气孔和夹渣,渗层质量安稳性有待进步;另外一个问题是关于增强颗粒与基体潮湿功能较差的铸渗复合层的制备显得力不从心,这就需求采纳改进颗粒与基体间的潮湿性或施加外力以迫使金属液向粉末层浸透。

      3.2离心铸渗工艺

      离心铸造法是依据制品的要求,首先把必定量的增强颗粒在低速情况下放入铸型,借助于离心力的效果,把增强体颗粒均匀分布于制品外外表或表里表,构成具有必定厚度和孔隙度的预制型,然后将熔炼好的钢液浇入铸型,使钢液在离心力的效果下进入预制型的间隙,取得表层有必定厚度的复合资料。选用此法可取得表层有必定厚度的复合资料,用来制造外外表或表里表有特别功能要求的制品。该工艺的不足之处在于仅能用于回转体类型零件的外表复合。

      3.3负压铸渗工艺

      负压铸渗也叫真空吸铸。此法无需粘结剂,选用机械真空吸附效果来固定合金粉末,由真空所发作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触摸,加强了金属液向合金粉末的浸透才能。因为该法不用粘结剂,所以消除了铸件因粘结剂分化而发作的气孔,搀杂等缺点。

      该工艺有以下两种基本形式:①实型负压铸渗工艺。实型负压铸渗工艺也叫V-EPC铸渗工艺,即用聚笨乙烯泡沫制备出铸件模型,然后在所需部位涂上铸渗用粉末,再将模型埋入真空砂箱内浇注,泡沫模型焚烧变为气体,一起金属液在负压吸力下进入粉末涂层,凝结后构成铸渗复合层。增强颗粒可选用铬铁,钒铁颗粒和碳化钨颗粒等。浇注进程中抽真空构成负压将泡沫和涂胶焚烧发作的气体抽走,利于金属液在颗粒间的浸透,并可避免涂覆层被金属液冲散,凝结后构成高质量的颗粒外表复合资料。

      该工艺运用简洁,不用考虑涂层,膏块的安放,固定,且该法出产的铸件尺度精度高,加工余量小,外表光洁,无环境污染,本钱低等,被认为是21世纪最有发展前途的铸造工艺,被世界资料学界称为21世纪绿色铸造工程。②空腔负压铸渗。空腔负压铸渗(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干砂稍加微震紧实,然后对型面和砂箱背面覆有塑料薄膜的砂箱抽真空,运用砂箱表里的压力差使铸型定型,然后起模合箱,在坚持真空状况下浇注金属液。与传统砂型铸造比较V法铸造外表光洁度好,尺度精度高,工艺操作简洁,运用范围广,出产本钱低,可是这种出产办法也存在一个缺点,即粘砂问题相当严重,设备投入较多。

      3.4压力铸渗工艺

      该工艺是将合金预制体或粉末放到预热过的压铸模具中,然后浇注高温金属液,接着在金属液面上直接施加压力使金属液进入预制体或粉末层中。压力铸渗的长处是增强颗粒与金属液的潮湿角,潮湿角即便大于90°,金属液仍能够浸透预制块,但因为铸渗法选用的基体金属多为铸铁或铸钢,并且是高温金属液,实际操作起来有必定的难度和限制性。

      3.5自延伸(SHS)离心铸渗工艺

      自延伸(SHS)离心铸造法制备金属-陶瓷复合资料是一种简略,敏捷,老练的办法。在离心力效果下的氧化热还原反响是SHS离心铸造的基本原理。

      这种办法的工艺进程是:将强还原性元素(如Al)

      与可还原金属氧化物(如Fe2O3)构成的粉状氧化热还原混合物按必定的份额混合均匀,放入离心浇注后的金属管内,使金属管绕轴线转动,粉状反响混合物在离心力效果下沿金属管内壁构成一压紧层。用电弧或钨丝点燃混合物后,使其进行自延伸(SHS)

      反响进程,熔融金属在离心力的效果下与熔融氧化物别离,构成中间层,而熔融的氧化物在离心力的效果下构成最内层,整个系统冷却后,钢管内构成层状的金属层和陶瓷氧化物层。用这种铸造工艺法主要制备管状类型零件的复合外表资料。

      4研讨及使用

      20世纪90年代以来,铸造外表合金化的研讨受到遍及注重,取得了长足的进步。其间针对一般砂型铸渗法展开的理论研讨主要有魏世忠等选用克己的合金粉末(6.9%C+3.5%Si+60%Cr+10%W+其余铁)对ZG45铸钢进行了外表铸渗研讨,成果标明,在铸渗进程中,合金化铸渗层的构成主要是母材ZG45钢液向涂料层浸渗,合金粉末熔化,随后与进入钢液混合并进行元素分散,终究凝结结晶,取得杰出结合的外表合金化层,铸渗外表合金化的外表,次外表有很多块状,条状的M7C3和鱼骨状的Fe3W3C,使钢基外表具有了高硬度,高耐磨性。严有为等研讨了铸渗涂猜中各组分及浇注温度对铸渗合金层功能的影响,得出了铸渗工艺温度应大于1400℃时的最佳铸渗涂料配比。

      王冬等以完成灰铸铁外表高铝硅耐热合金化为目标,使用离心铸渗技术取得了以元素铝,硅为主要组元的耐热外表冶金化层,其920℃的抗高温氧化才能为灰铸铁基材的15~17倍,使用该技术出产的新式熔铝铸铁坩埚的运用寿命是传统办法出产的同原料坩埚的3~5倍。河南科技大学宋延沛等用离心铸造制备出复合表层为18~25mm的WCp/Fe-C复合资料成功使用于辊环,复合资料辊环表层和基体硬度分别达到63~65HRC和50~55HRC,大幅度降低了本钱,进步了零件的运用寿命。

      兰州理工大学的宋文明等选用负压力铸渗工艺,在铝青铜外表铸渗了1~3mm的Al2O3渗层,并分析了预热温度,浇注温度,负压度,涂层厚度等对渗层的影响,得出了铜合金在浇注温度1200~1220℃,负压度0.04~0.06MPa,预热温度150~170℃,涂层厚度2~3mm以及运用克己的粘结剂NJB时外表质量最好。

      阎峰云等选用V-EPC法对45号钢外表进行了Ni基合金的铸渗处理,探讨了铸渗外表质量及合金层的显微安排特征,成果标明,当铸渗工艺规划合理时,Ni基合金粉能很好地熔于基体资料,合金层与基体资料结合杰出,未见宏观及微观裂纹。周永欣等选用V-EPC铸渗工艺,制备出复合杰出的SiC颗粒增强Q235钢基外表复合资料,研讨成果标明:其冲蚀耐磨性比Q235钢进步1.3倍以上。西安交通大学祁小群等选用V法铸渗法成功制备出WC颗粒增强高铬铸铁基外表复合资料喷射口衬板,研讨成果标明:颗粒的体积分数可达52%,界面细密,安排中无夹渣,裂纹等缺点,复合资料的三体磨料磨损功能是高铬铸铁的5.1倍,衬板的运用寿命是原来的3.5倍。

      Ding-FwuLii等人运用压力铸渗法制备AlN增强铝基复合资料。预制型的成分是AlN,其制备进程是:首先将AlN粉末在40~50℃枯燥5h,将粉末放入模具中在不同的压力下预压成型,然后在有氮气的保护气氛下烧结使其具有必定的强度以保证在铸渗时不变形或发作位移,烧结温度为1600℃,成果标明AlN颗粒分布均匀,其硬度及其耐磨性比基体进步3倍以上。

      中国民航大学纪朝辉等运用自延伸高温合成(SHS)粉料(Ti粉,C粉,Al粉,Fe粉),在消失模铸造中成功制备出在钢基外表构成的Ti/Fe自生复合资料层,外表复合层硬度可达54~59HRC.吉林大学赵玉谦等人将碳化后的稻壳,用高能球磨机磨制成纳米C粉。选用Al粉-Ti粉-C粉,用球磨机混4h,混匀后制成预制块,经300℃真空除气处理,放入铸型的特定部位,浇入高温钢液,在高温钢液的引燃下预制块发作SHS反响,成果制取了TiC颗粒增强钢基铸造复合资料。销盘磨损试验标明,耐磨性比钢基体高3~6倍。东南大学严新炎等用SHS离心铸造法成功地制取了长达4m的金属-陶瓷复合管,这些高质量的金属-陶瓷复合管已在某些工业范畴中取得成功使用。

      5问题及展望

      到目前为止,无论是国外还是国内,铸渗进程中遇到了许多问题,如浸透才能差,气孔,夹渣,渗层深度不均匀,外表粗糙度高级问题,这些问题限制了该工艺的推行和使用。为了进一步进步铸渗质量,扩大使用范畴,开发出新式铸渗资料,应留意以下几方面的研讨。

      (1)铸造界面的研讨界面包括宏观上复合层与基体之间的过渡层,也包括微观上增强颗粒与基体的触摸外表。好的界面结合状况能够有用地传递载荷和能量,避免增强颗粒在冲击或剪切力效果下脱离工件外表,乃至是复合层的脱落。在铸渗进程中固相资料与液相金属之间存在质量,能量和动量的传递,并发作一系列物理,化学和力学效果,液相金属对固相的潮湿,吸附和反响等界面现象对铸渗质量有着重要的影响,因而从热力学,动力学,传输理论及合金化理论动身,研讨两相界面的物理化学相容性和两相彼此效果的进程,以及由此发作的界面结构和界面结合等,关于安稳铸渗工艺效果,规划与开发新的铸渗资料,操控铸渗层的质量都有十分重要的含义。

      (2)铸造凝结进程的研讨因为铸造复合资料在凝结进程中,其温度场和成分浓度场,晶体形核,长大的热力学与动力学条件发作了更为杂乱的改变,致使铸渗层的结晶凝结行为以及显微安排结构都与基体安排有较大差异。所以为了研讨铸渗机理,进一步进步铸渗质量,应加强铸渗层内基体安排构成进程,新增相对形核和成长的影响,"铸渗层/基体金属"过渡层凝结行为以及物理冶金学特性等的研讨。

      (3)铸造进程的数值模仿研讨因为金属铸造进程中影响铸渗层质量的工艺参数较多,而且许多工艺参数还彼此相关,对这样一个杂乱进程,如果选用实验的办法来研讨工艺要素改变对铸渗层质量的影响,则难度大,费用高,且有必定盲目性,而数值模仿办法能够很好地处理这一问题。因而,选用更有用的手法,加大在铸渗机理,铸渗工艺以及铸渗进程的数值模仿等方面的研讨力度,以克服在铸渗层构成机理,详细铸渗工艺制定(如浇注温度和粘结剂挑选,熔剂种类和数量确定等)和数学模型树立等方面存在的不足将是往后一段时间研讨的侧重点。

      (4)铸造外表合金化和工艺参数的研讨外表合金化的效果对工艺参数的改变较敏感。在金属铸渗时,要想减少铸渗层中构成的气孔,夹渣和粘砂等缺点<2,23>,取得质量安稳牢靠的外表合金化效果,有必要有杰出的设备条件和严格的出产工艺措施,但这会使本钱添加,操作杂乱。

      (5)出产使用的研讨铸造外表合金化使用的研讨和铸渗研讨的成果现已使用于工程范畴,但出产工艺操控仍须进一步加强。在推行使用方面,为了得到理想的复合资料功能和安稳的工艺保证,就有必要努力处理现存的问题,找出操控增强颗粒在铸造进程中与钢铁基体反响,溶解,分散的办法,把握凝结理论和相关铸渗机理,进而操控复合资料的功能。

      6结束语

      铸造外表合金化技术,能够把金属资料的强韧性与强化成分的高硬度,高刚度结合起来,使零件的整体功能得到改进,且其工艺简略,本钱低价,不只能够在航天航空工业上使用,也能够在汽车,矿山机械制造等民用工业上使用。能够相信,外表合金化技术在耐磨,耐蚀,耐热复合资料制品出产方面将具有极广阔的前景。



     

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