專利名稱:真空密封造型零、構(gòu)件金屬表面復(fù)合合金化工藝的制作方法
本發(fā)明屬于金屬復(fù)合材料領(lǐng)域鑄件表面合金化是生產(chǎn)耐磨鑄件比較理想的一種工藝方法。A.D.Morris在1913年申請了這種工藝方法的專利(U.S.Patent，No.1，072，026)，該專利是在鑄型型腔底面鋪上一層耐磨金屬粉粒，粉粒上蓋以金屬片，用與金屬片同樣材料的金屬液澆入型腔，便可獲得表面具有耐磨性能的鑄件。由于金屬片隔在金屬粉粒和金屬液之間，熔化時(shí)吸收了部分熱量，致使合金化過程不易穩(wěn)定進(jìn)行，而且此法僅限于簡單形狀的鑄件。后來人們做了大量的努力來解決合金化穩(wěn)定的問題，但由于實(shí)用性差，迄今未得到廣泛實(shí)用。1981年加拿大的K.G.等(The Transactions of American Foundryman Scciety，Vol，90，1981～82，PP.385～402)應(yīng)用真空密封制型的原理，將鑄件表面進(jìn)行合金化的工藝方法推進(jìn)了一步。K.G.Davis采用真空密封金屬表面合金化的工藝是，在砂型表面刮去一層砂，或在砂型上放上環(huán)狀金屬絲，在環(huán)內(nèi)鋪上2～3毫米厚的耐磨金屬粉末，粉末上蓋一張塑料薄膜，砂型通過過濾器與真空管連通，砂型緊實(shí)。然后合上上型進(jìn)行澆注。這一方法使粉末在澆注后與金屬液直接接觸，大大提高了粉末材料的表面活性，使它與金屬液在潔凈的擴(kuò)散條件下鑄滲，擴(kuò)散和合金化。但K.G.Davis法只限于分型面鑄件的表面合金化，因而使其應(yīng)用受到限制。1983年J.S.Hansen(The Transactions of American Foundryrman Society，Vol.91，1983，PP.65～70)所采用的真空密封實(shí)型模鑄造進(jìn)行鑄件表面合金化的工藝方法又有了新的進(jìn)步。雖然J.S.Hansen法并不限于一些簡單，平面鑄件的表面合金化，但由于該法是用醋酸乙烯，賽璐珞和酒精粘結(jié)劑混以合金粉粒，涂敷在實(shí)型模上，然后利用真空密封造型，澆出表面耐磨的鑄件。所以，粘結(jié)劑，特別是實(shí)型模的揮發(fā)氣體，致使合金化過程的氣體增多，盡管有真空吸氣的作用，然而鑄件合金層還是比較容易產(chǎn)生氣孔以及夾渣，影響了合金化的質(zhì)量。本發(fā)明便是采用真空密封造型零、構(gòu)件金屬表面復(fù)合合金化工藝方法，解決了以上問題，同時(shí)也保留以上工藝方法的優(yōu)點(diǎn)。
附圖為真空密封造型零、構(gòu)件金屬表面復(fù)合合金化工藝方法實(shí)施例示意圖。圖中(1)為真空狀況的鑄型，(2)、(5)為薄膜，(3)為針板刺孔，(4)為合金粉粒，(6)為金屬粉層成型裝置，(7)為上型，圖中箭頭所指方向是抽真空方向。
本發(fā)明的要點(diǎn)是利用真空密封造型的原理，使合金化過程在真空密封且完全干燥和凈化的條件下完成。金屬液充填鑄型時(shí)在真空和定向流動條件下，向合金粉粒之間進(jìn)行鑄滲，并使金屬液的熱容通過合金層散發(fā)到鑄型中，熱量集中穿過合金層，有利于加熱合金粉粒，增強(qiáng)粉粒合金元素?zé)釘U(kuò)散和改善冶金結(jié)合的合金化效果。而且表面合金化不受鑄件形狀的限制。
本發(fā)明的具體工藝步驟是鑄型用真空密封造型的方法制成，真空密封造型的主要設(shè)備是水環(huán)式真空泵(當(dāng)真空度為-455毫米汞柱時(shí)，SZ-2型和SZ-3型真空泵的抽氣速率分別為57和240M3/時(shí))，尺寸、能力和砂箱(附有濾氣裝置)尺寸相配合的遠(yuǎn)紅外加熱器、吸膜箱以及振動造型臺，所用的型板鉆有吸膜用的φ1～1∶5毫米的小孔若干個，數(shù)量和位置根據(jù)模型形狀而定，造型時(shí)使用干、散狀的70/140目人造石英砂(或鋁礬砂和薄膜，薄膜可是醋酸-乙烯聚合物塑料薄膜，)其厚度為0.05～0.12毫米，具體造型操作工序如下1.復(fù)膜將塑料薄膜在遠(yuǎn)紅外加熱器上烘烤，薄膜溫度達(dá)60～90℃時(shí)，將薄膜扣在型板上，薄膜呈熱塑性變形而復(fù)蓋在型板上;2.在型板上放上砂箱、加砂并微振0.5～1分鐘，將砂箱上方多余砂刮去，蓋上一層薄膜;3.抽真空打開與砂箱濾氣裝置相連通的導(dǎo)管氣閥，鑄型與真空泵速通，因而抽去鑄型中的空氣，使鑄型內(nèi)部保持真空度-400～-650毫米汞柱，鑄型被緊實(shí)，最后起模，完成造型。在已造好的處于真空狀況的鑄型的表面，用針板(其長度可為鑄型型腔的1/4～1/3)，分散、均勻地將吸附在鑄型表面密封的薄膜刺透，試驗(yàn)證明，所刺透的面積為整個鑄型表面面積的0.000028～0.00014時(shí)，鑄型真空度基本沒有變化，這時(shí)將予先準(zhǔn)備好的干、散狀合金粉粒均勻地鋪置在這層薄膜上，然后再用一塊相同材料的薄膜和金屬粉層成型裝置鋪蓋在合金粉層上，金屬粉層成型裝置的形狀根據(jù)鑄件需要合金化的表面形狀而定。粉層成型裝置的材料是塑料，金屬(如銅板、鋼板等)或其它材料(如木板等)。將這層薄膜密封好了以后，把粉層成型裝置取出，使用該成型裝置的目的是，暫時(shí)固定薄膜和控制粉層的厚度。由于真空的作用，合金粉粒層被吸附和固定在鑄型表面，第二層薄膜的密封，使得上、下型合箱后，母材金屬液澆入時(shí)(通常使用的母材金屬是鑄鋼，鑄鐵和有色金屬等)，金屬液鑄滲在合金粉粒間隙中，并與粉粒相互擴(kuò)散，完成零、構(gòu)件表面合金化。而且合金化穩(wěn)定，合金層厚度均勻。鑄型真空度通過為-400～-650毫米汞柱(mmHg)，其中-500～-620毫米汞柱(mmHg)為最佳。一般鑄件在澆注后經(jīng)過一定時(shí)間冷卻后切斷真空，冷卻時(shí)間根據(jù)鑄件大小及壁厚而定，例如，壁厚為20～30毫米的一般鑄件澆注后20～30分鐘即可切斷真空。通常所采用的干、散合金粉粒的成分和組成為
高碳鉻鐵成份為Cr65%，C8.6%，Si1.2%;組成為100%(重量百分比)，或中碳鉻鐵成份為Cr68.25%，C5%，Si1.1%;組成為100%，或組成為90～96%的中碳鉻鐵(4～10%)的鉬鐵，鉬鐵成份為Mo55%，C0.2%，Si1%，或90～95%的中碳鉻鐵和5～10%的釩鐵，釩鐵成份為V48%，C1%，Si2.09%，或100%的鑄造WC或40～50%的鑄造WC和50～60%的中碳鉻鐵，或50～90%的高碳鉻鐵和10～50%的鎢渣鐵合金，鎢渣鐵合金的成份為W4.5～7.5%，Mn14～20%，Nb0.5～0.6%，Ta0.16～0.22%，Ti0.12～0.16%，C5.5～6.2%，Si0.12～0.7%，F(xiàn)e65～70%，或50～70%的WC和30～50%的鎢渣鐵合金或100%的SiC，合金粉粒的粒度一般是熔點(diǎn)低于金屬液熔點(diǎn)溫度的合金粉粒為40～140目，100～200目和熔點(diǎn)高于金屬液熔點(diǎn)溫度的合金粉粒為28～40目，40～100目。干、散狀合金粉粒通常是經(jīng)過予合金化后，破碎，磨細(xì)，也可在破碎，磨細(xì)過程中按上述合金的成份和組成的比例混合。
對于用鉻鐵合金表面合金化的零、構(gòu)件，可進(jìn)行熱處理，熱處理加熱溫度為920°～980℃，保溫時(shí)間2～4小時(shí)，然后空冷。經(jīng)過熱處理的零、構(gòu)件HRC可達(dá)60～67。
本發(fā)明合金化工藝穩(wěn)定，操作簡單可靠，不僅可用于鑄件表面合金化，也用于一些構(gòu)件的表面合金化中，而且不受零、構(gòu)件形狀的限制。由于采用真空密封復(fù)合合金化工藝，可節(jié)約貴重金屬的消耗，提高母材與合金粉粒之間的復(fù)合強(qiáng)度及表面的使用性能，使鑄件具有良好的綜合性能。表面合金化的零、構(gòu)件，在一定情況下，可代替大、中型粉末冶金零、構(gòu)件，如軋鋼機(jī)硬質(zhì)合金復(fù)合軋輥等。
實(shí)施例1、中碳鉻鐵進(jìn)行平板狀鑄鋼件表面合金化鑄件壁厚35毫米(其中包括合金粉層厚度);
合金粉粒組成中碳鉻鐵為100%，其成份為Cr68.25%，C5.9%，Si1.1%。
粒度經(jīng)破碎，磨細(xì)，粒度為70～140目;
合金粉層厚度5毫米;
合金粉層成型裝置五合板;
母材鑄鋼，C含量為0.30%;
澆注溫度為1580℃～1600℃;
用厚度為0.075毫米的醋酸乙烯聚合物塑料薄膜復(fù)膜，用粒度為140/70目的干狀人造石英砂造成真空密封鑄型1，鑄型真空度為-580毫米汞柱，用針板剌透鑄型底面的薄膜2，針孔距3為20毫米，然后，在這層薄膜上鋪上上述中碳鉻鐵粉粒4，合金粉粒層的厚度為5毫米。最后，再用一醋酸乙烯聚合物薄膜5和金屬粉層成型裝置6將合金鋪粉層蓋住并且密封，然后將成型裝置取出。做為下箱，將上、下箱合箱后，用溫度為1580℃～1600℃，C含量0.3%的鋼液澆入鑄型。鑄件冷卻后進(jìn)行熱處理，加熱到950℃，保溫2小時(shí)，空冷。
鑄件合金化表面硬度可達(dá)HRC65。
實(shí)施例2、高碳鉻鐵和鎢渣鐵合金粉粒進(jìn)行平板狀鑄鋼件表面合金化鑄件尺寸180×100×40毫米(包括合金粉層厚度);
合金粉粒成份，組成高碳鉻鐵(Cr65%，C8.6%，Si1.2%)60%，鎢渣鐵合金(W4.5～7.5%，Mn＝14～20%，Nb0.5～0.6%，Ta0.16～0.22%，Ti0.12～0.16%，C5.5～6.2%，Si0.12～0.70%，F(xiàn)e65～70%)40%。
合金粉粒粒度70/140目;
合金粉層厚度5毫米;
母材ZG45;
澆注溫度1580℃～1600℃;
用厚度0.075毫米的醋酸一乙烯聚合物塑料薄膜，用粒度為140/70目的干狀人造石英砂造成真空密封鑄型，鑄型真空度為-570毫米汞柱，用針板剌透鑄型底面的薄膜，針孔直徑為φ0.15毫米，針孔距為20毫米，然后，在這層薄膜上鋪以上述成份組成的合金粉粒，粉粒層的厚度為5毫米，最后用一醋酸乙烯聚合物薄膜(厚為0.075毫米)，將合金粉層蓋上，上面再放置一個木質(zhì)的合金粉層成型裝置，然后將薄膜四周用膠紙粘緊密封，做為下型。將上、下型合型后，用溫度為1580°～1600℃的ZG45鋼液澆入鑄型。澆片后20分鐘切斷鑄型真空，4小時(shí)后開箱，鑄件冷卻后，切割澆冒口，進(jìn)行熱處理，加熱到960℃，保溫2小時(shí)，空冷。
鑄件合金化的表面硬度達(dá)HRC62，合金層深度為8～9毫米，并降低了合金粉粒成本約20%。
實(shí)施例3、φ10園鋼軋鋼機(jī)導(dǎo)板表面合金化用中碳鉻鐵加鉬鐵粉粒進(jìn)行表面合金化，代替原WC-8%Co硬質(zhì)合金鑲塊。
導(dǎo)板尺寸280×90×25毫米導(dǎo)板尖端部位面積為60×30毫米處，原為YG8(WC-8%Co)硬質(zhì)合金鑲塊，工作時(shí)承受高溫磨損和激冷激熱，壽命短，本發(fā)明以中碳鉻鐵加鉬鐵粉粒在該部位進(jìn)行表面合金化取代原硬質(zhì)合金鑲塊，使用壽命提高3～5倍，尖端部位鋪粉厚度為5毫米。
合金粉粒成份，組成
中碳鉻鐵(Cr含量為68.25%，C含量為5.9%，Si含量為1.1%)90%;
鉬鐵(Mo含量為55%，C含量為0.2%，Si含量為1%)10%;
合金粉粒粒度70/140目;
導(dǎo)板母材ZG25;
操作程序用前述真空密封造型方法造好導(dǎo)板下型(鑄型真空度為-580毫米汞柱)后，在導(dǎo)板尖端部位60×30毫米部位的醋酸一乙烯聚合物薄膜上，用針板刺孔，孔徑為φ1.15毫米，孔距為15毫米，刺孔后，用上述中碳鉻鐵及鉬鐵粉粒，鋪置在刺孔的薄膜上，厚度為5毫米，用另一塊面積為80×50毫米、厚度為0.075毫米的醋酸乙烯聚合物薄膜蓋在粉粒上，薄膜上放置一個以木質(zhì)與導(dǎo)板尖端表面形狀相同的粉層成型裝置，輕輕壓住，然后用膠紙或粘結(jié)劑密封薄膜四周，使它成為密封層，取出粉層成型裝置檢查敷置的粉層在密封后應(yīng)有緊實(shí)硬度，至此下型造好，最后合上上箱，以溫度為1580℃的ZG25鋼液澆入型腔，20分鐘后切斷鑄型的真空，4小時(shí)后開箱，冷卻后切割澆冒口，進(jìn)行熱處理，將導(dǎo)板加熱到950℃保溫2小時(shí)，空冷，表面硬度可達(dá)HRC66。
實(shí)施例4、壓制SiC砂輪坯的園筒形模具內(nèi)表面合金化模具外園直徑為φ283毫米，內(nèi)壁直徑為φ253毫米，模高為120毫米;
模具母材材質(zhì)ZG45;
合金粉粒成份組成高碳鉻鐵(Cr含量為65%，C含量為8.6%，Si含量為1.2%)100%;
合金粉粒粒度70/140目;
合金粉粒鋪粉厚度3毫米。
操作程序用前述真空密封造型方法造型，鑄造工藝采取兩箱造型，上箱構(gòu)成模具的外型，下箱園柱形砂胎構(gòu)成模具的內(nèi)壁，在下型園柱形砂胎(直徑為φ253毫米、高為120毫米)的醋酸-乙烯聚合物塑料薄膜上，用針板刺以直徑φ0.15毫米的小孔，孔距25毫米，用予制好的園筒形(直徑為φ259毫米，長為160毫米)的醋酸一乙烯聚合物塑料薄膜(厚度為0.075毫米)，外套以塑料制的合金粉層成型裝置(外徑為269毫米，內(nèi)徑為259毫米，高為120毫米)，一起套在園柱形砂胎薄膜外邊，將園筒形薄膜下端20毫米用膠紙或塑料薄膜粘在鑄型面上，粘緊密封，然后，從上端向兩層薄膜中間填充70/140目的高碳鉻鐵粉粒，一邊填一邊用直徑為φ2毫米的鋼絲輕輕搗實(shí)合金粉粒，填滿120毫米高的園環(huán)空腔后，迅速將上端長出砂胎的20毫米的薄膜封緊在砂胎頂面薄膜上，同時(shí)，將薄膜粘結(jié)、密封好，由于兩層薄膜之間的合金粉粒處于密封狀態(tài)，內(nèi)層薄膜的刺孔與鑄型內(nèi)負(fù)壓(-580毫米汞柱)連通，所以粉層頓時(shí)緊實(shí)并有一定表面硬度，取出合金粉粒園筒形成型裝置，檢查粉層鋪置的完整程度和表面硬度。至此，造完下型，用造好的上型合箱，加壓鐵后，澆以ZG45鋼液，鋼液事先必須脫氧良好，撇渣，澆注后20分鐘切斷鑄型導(dǎo)管的真空，4小時(shí)后開箱，冷卻后去除澆冒口，進(jìn)行熱處理，將鑄件加熱到950℃，保溫2小時(shí)，空冷，壓模內(nèi)表面硬度可達(dá)HRC67，內(nèi)表面光潔，只需磨削加工，可達(dá)到要求尺寸。
權(quán)利要求
1.一種真空密封造型，零、構(gòu)件金屬表面復(fù)合合金化工藝方法，用真空密封方法造型，其特征在于在處于真空狀況(型內(nèi)真空為-400～650毫米汞柱，mmHg)的鑄型(1)的表面上，用針板，分散而均勻地刺透密封的薄膜(2)，再在這層薄膜上鋪置一定厚度的干、散狀合金粉粒(4)，然后再用一薄膜(5)和金屬粉層成型裝置(6)將合金鋪粉層密封，密封好后取出粉層成型裝置。此時(shí)，合金粉層即被吸附和固定，將上、下型合箱，最后澆入母材金屬液。
2.按照權(quán)利要求
1所述的工藝方法，其特征在于所述的真空狀況的鑄型壓力最佳為-500～-620毫米汞柱(mmHg)。
3.按照權(quán)利要求
1、2所述的工藝方法，其特征在于所述的薄膜是醋酸-乙烯聚合物塑料薄膜。
4.按照權(quán)利要求
1、2所述的工藝方法，其特征在于所述的干、散狀合金粉粒的組成為100%(重量百分比)的高碳鉻鐵(Cr65%，C8.6%，Si1.2%)，或100%的中碳鉻鐵(Cr68.25%，C5%，Si1.1%)，或90～96%的中碳鉻鐵和4～10%的鉬鐵(Mo55%，C0.2%，Si1%)，或90～95%的中碳鉻鐵和5～10%的釩鐵(V48%，C1%，Si2.09%)，或100%的鑄造WC，或40～50%的鑄造WC和50～60%中碳鉻鐵，或50～90%的高碳鉻鐵和10～50%的鎢渣鐵合金(W4.5～7.5%，Mn14～20%，Nb0.5～0.6%，Ta0.16～0.22%，Ti0.12～0.16%，C5.5～6.2%，Si0.12～0.7%，F(xiàn)e65～70%)，或50～70%的WC和30～50%的鎢渣鐵合金，或100%的SiC。
5.按照權(quán)利要求
1所述的工藝方法，其特征在于所述的合金粉粒是經(jīng)過予合金化后，破碎，磨細(xì)或在破碎，磨細(xì)過程中按其成份，組成比例混合。
6.按照權(quán)利要求
4所述的工藝方法，其特征在于熔點(diǎn)低于金屬液熔點(diǎn)的合金粉粒其粒度為40～140目和100～200目，熔點(diǎn)高于金屬液熔點(diǎn)的合金粉粒，如WC等，其粒度為28～40目，40～100目。
7.按照權(quán)利要求
1所述的工藝方法，其特征在于所述的母材金屬是鑄鋼，鑄鐵和有色金屬。
8.按照權(quán)利要求
1所述的工藝方法，其特征在于所述合金粉層成型裝置其形狀根據(jù)鑄件合金表面的形狀而定，用塑材材料，金屬材料或其它材料制做。
9.按照權(quán)利要求
1所述的工藝方法，其特征在于以鉻鐵合金表面合金化后的零、構(gòu)件，進(jìn)行熱處理，加熱溫度為920～980℃，保溫時(shí)間為2～3小時(shí)，然后空冷。
專利摘要
一種真空密封造型零、構(gòu)件金屬表面復(fù)合合金化的工藝方法，在鑄型表面鋪置干、散狀合金粉粒，可澆成表面具有特種性能的鋼、鐵和有色金屬零、構(gòu)件。本發(fā)明工藝簡單，合金化穩(wěn)定，可靠，材料復(fù)合強(qiáng)度高，具有良好的特殊使用性能和綜合性能。
文檔編號B22D23/00GK85102053SQ85102053
公開日1986年7月9日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者紀(jì)嘉林 申請人:西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan