CN109504889B - (Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺及产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，包括：将硬质相颗粒(Ti，W)C和活性元素颗粒Cr、Mo、Cu与冷胶混合，制成颗粒后压制成预制块，放置在指定位置；在负压环境下，向预制块浇注熔炼处理好的基体材料钢液，浇注温度为1600～1650℃；浇注完成，凝固后淬火即生成(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料。硬质相颗粒(Ti,W)C的质量与基体材料合金钢钢液质量比为5～30％，硬质相颗粒(Ti,W)C与铁基金属液体的密度比为0.9～1.1。本发明通过(Ti,W)C颗粒、活性元素与基体材料的原位熔合，强化了硬质相与基体材料的冶金结合，避免了硬质相脱落分离，增强了颗粒的均匀分布，加强了产品定位增强区域的强度、韧性和耐磨度，改善了产品适应范围和使用寿命，降低工艺难度和生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，特别是涉及一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺及产品。
背景技术
复合材料被称为21世纪的新型工程材料，金属基颗粒增强复合材料以其特有的高比强度、高比模量、低热膨胀、耐热、耐磨导电、导热、阻燃，使用中不释放气体等优异的综合性能和发展前景，成为复合材料的一个重要分支。
金属基复合材料的研究，目前主要集中在轻质材料的基础性方面，但是作为在生产中广泛使用的钢铁基复合材料的研究及应用，却处在初步探索阶段，主要是在实验室条件下的显微组织、界面、凝固过程制备技术等理论方面，对其应用和开发则少见报道。钢铁材料的比强度价格是除水泥之外最低的一种工程材料，但其综合性能远高于水泥，应用范围广泛。
铁基复合材料相对于轻质金属复合材料具有熔点高、密度大、制造工艺困难等原因，导致研究成果少，成为亟待开发的领域。
目前颗粒增强铁基复合材料主要的研究成果有：
1、整体复合
粉末冶金：合金元素与铁基粉末搅拌压块，烧结生成铁基复合材料。这种材料硬度高，但是，生产成本高，韧性差，难以与母体材料形成牢固结合。
熔炼法：将硬质合金颗粒加入铁基金属液，电磁搅拌混合后浇注成型。这种方法的缺点是增强颗粒与基体的润湿性差，无法与基体形成熔合的冶金结合，使用过程中易发生增强颗粒的脱落，并且常用增强颗粒一般密度较低，偏析严重难以形成弥散均匀分布，且易生成有害相。
原位反应铸造法：将合金元素粉末颗粒加入熔炉的铁基金属液，在熔炼过程中等温反应，原位生成硬质相。碳化物与基体润湿好界面洁净，增强颗粒均匀弥散分布，工艺简单成本低。但是，仅局限在单一材料的整体增强，不能单独对工作部位进行定位复合，因而不能满足机械零件不同部位的性能要求。
2、表层复合
涂层法：用合金粉末与粘合成分混合，喷涂在铸型表面，金属液与涂层材料反映生成复合层。缺点是复合层小于1毫米，耐磨寿命低。
自蔓延铸渗法(SHS)：将预制的合金粉料片放置在表层部位，被渗入钢液金属液点燃，预制片反映热量溶于基体形成硬质相。该燃烧合成过程是在很短的时间内完成的，过程难以控制，不良界面反应，偏聚，并都残留有非平衡过渡相杂质；此外，SHS过程的孔隙率高，难于制备致密材料。
3、局部复合
生产中更多需要的是提高部件工作部分的耐磨性，然而，部件连接或支撑部分的性能要求往往是高韧性高强度，需要在工作部分复合硬质材料而不是整体或者表层复合。
机械复合：一般采用固态焊接、镶嵌和固液结合等方式。然而，机械结合的缺陷导致结合的不可靠性，在工作中经常出现脱落、断裂现象，损坏设备，影响零件的使用寿命，造成材料浪费，设备维护成本提高。
双液复合：采用硬质材料和韧性材料两种金属液体，在半凝固态将两种金属复合在一起。这种方法的缺点是复合过程可控性差，成品率低；界面润湿差，复合质量不稳定，易疲劳断裂脱落；生产过程复杂，产品成本高。
申请人之前的两项发明专利中，采用先将硬质合金颗粒(颗粒大小为0.1mm×0.1mm×0.1mm～20mm×20mm×20mm)放在模具内，再浇注基体材料合金溶液的方法，制备双金属复合产品，所得产品能够实现硬质合金材料与基体材料的冶金结合，具有较好的耐磨度。但是，在进一步实践中逐渐发现，采用该方案的产品仍会出现硬质合金部分颗粒脱落的现象，因而有待进一步加以改进。
综上，现有技术中的双金属复合工艺及其产品仍存在各种不足之处，本申请申请人创设了一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺及产品，使其能满足硬质增强相与基体材料之间原位形成弥散性的冶金熔合，避免脱落分离，以及将复合材料固定在指定区域，实现局部增强(非表层的)，满足零件不同部位的不同性能要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，使其能满足硬质增强相与基体材料之间原位形成弥散性的冶金熔合，避免脱落分离，以及将该复合材料固定在指定区域，实现局部增强(非表层的)，满足零件不同部位的不同性能要求的双金属熔合工艺，从而克服现有的双金属复合工艺的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，所述工艺包括如下步骤：
(1)将硬质相颗粒(Ti，W)C和活性元素颗粒Cr、Mo、Cu与冷胶混合，制成颗粒后压制成预制块，放置在指定位置；
(2)在负压环境下，向所述预制块浇注熔炼处理好的基体材料钢液，浇注温度为1600～1650℃；
(3)浇注完成凝固后，淬火即生成(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料。
进一步改进，所述步骤(1)中硬质相颗粒(Ti，W)C和活性元素颗粒Cr、Mo、Cu的粒度在5-10微米。
进一步改进，所述硬质相颗粒(Ti，W)C的质量与所述基体材料钢液的质量比为5～30％。
进一步改进，所述硬质相颗粒(Ti，W)C的密度与所述基体材料钢液的密度比为0.9～1.1。
进一步改进，所述活性元素颗粒Cr、Mo、Cu的质量与所述基体材料钢液的质量比分别为1～5％、0.3～0.5％、0.3～0.5％；
所述预制块中还包括占所述基体材料钢液质量比为0.3～0.4％的辅助剂。
进一步改进，所述步骤(2)中的负压环境为对密闭箱体抽真空得到，所述预制块置于模具中的指定位置，所述模具置于所述密闭箱体内部；所述基体材料为铸钢或合金铸钢。
进一步改进，所述密闭箱体内壁与所述模具外侧之间填充低导热率的宝珠砂。
进一步改进，所述步骤(3)中浇筑完成后，先停止负压1-2分钟，保持所述箱体内部的温度在3分钟内不低于1550度；再迅速启动负压，达到快速冷却。
本发明还公开一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合产品，所述产品应用上述的(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺制成，所述产品工作部位的硬度为HRC60-65，显微硬度为2.795GPa。
进一步改进，所述产品为破碎机锤头、衬板、铁路捣固镐或矿山机械设备配件。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明通过硬质碳化物(Ti，W)C颗粒、活性元素与基体材料的原位熔合，进一步强化了碳化钛钨硬质相与基体金属材料之间的冶金熔合，从而有效避免了硬质相的脱落、分离。
本发明通过(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料与基体材料的定位复合，进一步加强了双金属复合产品指定部位的强度、韧性和耐磨度，改善了双金属复合产品的适应范围和使用寿命；还由于是一次性浇注，避免了双金属液体二次浇注的诸多困难，降低了工艺难度和生产成本，更适于推广应用。
本发明工艺方法可控，生产成本低，成品率高，复合牢固，可满足机械零件不同部位的性能要求。
具体实施方式
本发明要解决的技术问题是提供一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位复合工艺，使其发挥活性元素结合能力强的特点，增强相(Ti，W)C与基体合金钢液形成原位熔合，避免脱落、分离。还通过固定(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料的位置，按照生产需要定位熔合，可进一步提升工作面耐磨度、降低工艺难度和生产成本。具体工艺步骤如下：
本实施例(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺包括如下步骤：
(1)将硬质相颗粒(Ti，W)C和活性元素颗粒Cr、Mo、Cu以及辅助剂，与冷胶混合，制成与消失模珠粒大小近似的颗粒，压制成所需形状的预制块，放置在模具的指定位置；
其中，碳化钛(TiC)莫氏硬度为9.5，显微硬度为2.795GPa，它的硬度仅次于金刚石，具高的热稳定性，高硬度面心立方结构，晶格常数和晶格类型与奥氏体非常近似，便于与基体结合。碳化钨(WC)莫氏硬度9，显微硬度1.73GPa，熔点高(2870度)，密度最高(19.3g/cm2),最具高温性能和热导率，有非常高的压缩模量与弹性模量，与铁基金属的润湿性极好。W与Ti的晶格结构近似，易形成共晶化合物；W替代TiC中的Ti，生成的(Ti，W)C，(Ti，W)C密度与铁基金属接近，减轻了增强相与基体的偏析，有利于弥散均匀分布。
本实施例中硬质相颗粒(Ti，W)C与铁基金属液体的密度比为0.9～1.1，即两者密度近似，有助于促使原位复合反应，提高材料性能。
该硬质相颗粒(Ti，W)C和活性元素颗粒Cr、Mo、Cu的粒度均为5～10微米。且硬质相颗粒(Ti，W)C、Cr、Mo、Cu和辅助剂的质量占增强部位基体质量分别是3～15％、1～5％、0.3～0.5％、0.3～0.5％、0.3～0.4％。
本实施例中冷胶采用EPS冷胶，辅助剂采用本领域常用均质剂，目的是起到均匀化的作用。
(2)在负压环境下，向上述制备的预制块浇注熔炼处理好的基体材料钢液，浇注温度为1600～1650℃。
其中，该基体材料采用铸钢或合金铸钢材料，本实施例中该基体材料钢液为铁基金属液体，其密度约为7.8。本实施例中负压环境为对密闭箱体抽真空得到，将该预制块置于模具中的指定位置，并将该模具置于该密闭箱体内部。
3)浇注完成凝固后，淬火即生成(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料。
其中，淬火温度为850-950℃。
这样硬质相(Ti，W)C与高温铁基金属液体经过一次性浇注混合后，在保温和凝固过程中铁基金属液体与(Ti，W)C硬质相、活性元素形成原位熔合，同时钛碳反应释放热量，为其他碳与钛继续反应提供热量；其中活性元素降低了界面能，使电负性更强，形成弥散性的原位熔合。原位生成的硬质相对基体有明显的加强作用；该基体材料以其强硬的马氏体基体，将碳化钛钨紧密牢固地熔合在一起，对增强颗粒产生支撑保护作用，二者相辅相成，大大提高了复合材料性能，最终提高产品的使用寿命。
并且本实施例在浇筑过程中，还在该密闭箱体内配合填充低导热率的宝珠砂，如在密闭箱体内壁与模具外侧之间填充宝珠砂，能起到良好的保温作用。如在浇筑完成后，先停止负压1-2分钟，能保持箱体内部的温度在3分钟内不低于1550度，然后再迅速启动负压，排除箱体内部热量，使之快速凝固，实现高保温、快凝固的工艺，利于原位复合反应的完成。
本发明(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位复合工艺中，由于增强相(Ti，W)C的密度与铁基金属基体材料近似，且与奥氏体的晶格类型相近，润湿性好，所以可以作为奥氏体的结晶核心，能起到细化组织，并且强化基体的作用。其中活性元素扩散到增强相边缘，富集于相界面层形成包覆膜结构，能提高润湿性，促进了(Ti，W)C与其他元素的络合反应，促使增强相与基体材料形成冶金熔合。
本发明还通过在负压环境的非重力条件下进行反应，解决增强相与基体材料之间的密度差所造成的偏析问题；还有本发明工艺中浇注温度和保温时间也是增强相与基体材料之间原位复合反应的重要条件，能良好的促使该复合工艺的反应完全，减少有害相的生成。
所以本发明(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位复合工艺能够解决现有的生产铁基复合材料技术中均匀性差、润湿性和密度差的问题。
上述(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺可生产出(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合产品，该产品可以为破碎机锤头、衬板、铁路捣固镐或矿山机械设备配件。其产品工作部位的硬度为HRC60-65，显微硬度为2.795GPa。
具体产品实施例如下。
实施例一
利用上述(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺生产铁路捣固设备的捣固镐，基体成分为合金铸钢材料，增强元素碳化钛钨、活性元素颗粒Cr、Mo、Cu及均质剂等混合制成与消失模珠粒大小近似的颗粒，用冷胶成型，放置在捣固镐模具中工作部分顶端位置。浇注基体钢液，浇注温度为1650度，原位生成化合物碳化钛钨，显微硬度为2.795GPa；淬火温度为850度空冷，该捣固镐锤头工作部分硬度为HRC66。该捣固镐上部形状为圆柱体，耐磨复合层为50mm*35mm*130mm，总重为13.5公斤。
该捣固镐工作的对象为花岗岩石子，工作过程中有强冲击，在捣镐试验中该耐磨镐掌部分的硬质合金没有出现颗粒碎裂的情况。
实施例二
利用上述(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺生产连体式破碎机锤头，基体成分为合金铸钢材料，增强元素碳化钛钨、活性元素铬、铜、钼及均质剂等混合预制成与消失模珠粒大小近似的颗粒结构，用冷胶成型，放置在锤头模具中工作部分位置。浇注基体钢液，浇注温度1600度，生成(Ti，W)C原位熔合材料，其中(Ti，W)C莫氏硬度为9.5，显微硬度为2.795GPa，抗拉强度514Mpa，冲击韧性2.8J/cm2，抗弯强度：N/cm2 1150；淬火温度850度空冷，锤头工作部分硬度HRC65。该锤头总重9.5公斤，形状为长方体65mm*30mm*590mm，耐磨复合层65mm*30mm*50mm。
该锤头破碎4000-5000大卡的煤，无强冲击力，磨损面呈凹凸状，定位增强部分无碎裂现象。
实施例三
利用上述(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺生产矿山大型破碎机锤头，基体成分为合金铸钢材料，增强元素碳化钛钨、铬、铜、钼、均质剂等混合预制成与消失模珠粒大小近似的颗粒结构，用冷胶成型，放置在大型锤头模具中工作部分位置，浇注基体钢液，浇注温度1600度，生成(Ti，W)C原位熔合材料，其中(Ti，W)C莫氏硬度为9.5，显微硬度为2.795GPa，抗拉强度514Mpa，冲击韧性2.8J/cm2，抗弯强度：N/cm21150；淬火温度850度空冷。锤头形状为扇形体360mm*100mm*500mm，耐磨复合层360mm*100mm*80mm，总重96公斤。
该锤头工作部分硬度HRC65，该锤头的工作寿命与现有锤头的工作寿命相比，提高了三倍以上。
对上述产品实施例1至3生产的双金属复合机械产品进行金相分析。金相显示：各产品的基体组织为马氏体、少量残留奥氏体，碳化物硬质相均匀分布，硬质合金组织及其周围的熔解结合层基体上可见大量的(Ti，W)C，增强相与高温溶液完全润湿，实现了硬质合金材料与基体材料之间的冶金结合。
对上述产品实施例1至3生产的双金属复合机械产品进行硬度测试。硬度测试结果显示，上述实施例生产的双金属复合工艺产品的工作部分硬度为HRC60-65，显微硬度为2.795GPa，增强相碳化钛钨部分保持了其原来硬度，具有较强的抵抗磨料凿削磨损性能，可比传统耐磨材料产品的使用寿命提高3-5倍。
按照本发明工艺生产的双金属复合产品，以碳化钛钨合金超强的硬度，对基体起到明显的加强作用，且基体材料以其强硬的马氏体组织将硬质合金颗粒材料紧密牢固地熔合在一起，对硬质合金材料起到支撑保护作用，二者相辅相成，延长了产品使用寿命，降低了生产成本。
相对于现有技术中采用的在基体材料中镶嵌硬质合金预制块体的制造工艺，本发明注重活性元素降低界面能、提高材料润湿性及电负性强的特点，提高晶体的形核力和原位反应结合力，减轻增强相的偏聚，实现增强相的均匀化分布，碳化钛钨增强相与基体材料的冶金结合，有效地避免了硬质相的脱落、断裂现象；本发明并在生产过程中采用高保温、快凝固的工艺，使非加强部位的基体材料与加强部位形成双金属复合，满足机械零件不同部位的性能要求，将原位复合技术与双金属定位铸造工艺合二为一，提高了双金属复合产品的耐磨度、适应范围和使用寿命。
本发明是用铸造法制备的铁基复合材料，成本低(优于美国Alloy TechnologyInternational公司用粉末冶金工艺研制的，新型钛-铁复合硬质合金材料)，力学性能优；经过退火降低硬度处理，可以进行机械加工，本发明可以应用于工具模具行业或者需要高硬度产品的领域，是一种用途广泛的新型高硬度材料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：
(1)将硬质相颗粒(Ti，W)C和活性元素颗粒Cr、Mo、Cu与冷胶混合，制成颗粒后压制成预制块，放置在指定位置；
其中，硬质相颗粒(Ti，W)C和活性元素颗粒Cr、Mo、Cu的粒度在5-10微米；
(2)在负压环境下，向所述预制块浇注熔炼处理好的基体材料钢液，浇注温度为1600～1650℃；
(3)浇注完成后，先停止负压1-2分钟，保持温度在3分钟内不低于1550度，再迅速启动负压，达到快速冷却，凝固，淬火即生成(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料。
2.根据权利要求1所述的(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，其特征在于，所述硬质相颗粒(Ti，W)C的质量与所述基体材料钢液的质量比为5～30％。
3.根据权利要求1所述的(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，其特征在于，所述硬质相颗粒(Ti，W)C的密度与所述基体材料钢液的密度比为0.9～1.1。
4.根据权利要求1所述的(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，其特征在于，所述活性元素颗粒Cr、Mo、Cu的质量与所述基体材料钢液的质量比分别为1～5％、0.3～0.5％、0.3～0.5％；
所述预制块中还包括占所述基体材料钢液质量比为0.3～0.4％的辅助剂。
5.根据权利要求1所述的(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，其特征在于，所述步骤(2)中的负压环境为对密闭箱体抽真空得到，所述预制块置于模具中的指定位置，所述模具置于所述密闭箱体内部；
所述基体材料为铸钢或合金铸钢。
6.根据权利要求5所述的(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺，其特征在于，所述密闭箱体内壁与所述模具外侧之间填充低导热率的宝珠砂。
7.一种(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合产品，其特征在于，所述产品应用权利要求1至6任一项所述的(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合工艺制成，所述产品工作部位的硬度为HRC60-65，显微硬度为2.795GPa。
8.根据权利要求7所述的(Ti，W)Cp/Fe原位复合材料双金属定位熔合产品，其特征在于，所述产品为铁路捣固镐或矿山机械设备配件。
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