[发明专利]一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制造方法

说明书

本发明公开了一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制备方法，其制备工艺过程包括：1)将配制好的钛粉、钨粉、胶体石墨粉以及合金剂经混和均匀，加入适量的水基粘结剂搅拌均匀放入模具中冲压成预制块；2)将预制块干燥后，固定在铸件需强化部位对应的泡沫模型上，涂敷耐火涂料，干燥后造型；3)浇注奥氏体锰钢金属液，利用金属液的高温诱发预制块中Ti、W金属元素与C元素发生高温燃烧合成反应，原位生成TiC、WC以及（Ti，W）C等复相陶瓷颗粒增强体，制造出颗粒增强锰钢基金属陶瓷表面复合铸件。

技术领域

本发明属于金属基表面复合材料制备技术领域，涉及一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制造方法。

背景技术

高锰钢在较大的冲击载荷或接触应力作用下，其受力表层迅速产生加工硬化，并有高密度位错和形变孪晶相继生成，从而产生高耐磨的表面层，而且冲击载荷愈大，受力表面硬化层愈深，硬度愈高，抗磨能力愈强，而此时工件心部仍保持其固有的高韧性和高塑性，这是其它耐磨材料所不能比拟的。高锰钢最大的特点有两个：一是外来冲击载荷越大，其自身表层耐磨性越高；二是随着表面硬化层被磨耗，在外力载荷作用下新的加工硬化层连续不断地形成。高锰钢这一特殊性能使其在耐磨材料中仍占据比较重要的地位。

高锰钢优异的耐磨性是建立在加工硬化基础上的，需在高应力条件下服役才能充分加工硬化，而从目前耐磨件服役工况而言，高应力工况不足5%，绝大部分都是在中、低应力状态下工作，因而高锰钢不易被加工硬化，高的抗磨性未被充分发挥。高铬白口铸铁的硬度高、耐磨性好，但存在脆性大和冲击载荷下使用安全性差及生产成本高等不足。在大多数磨料磨损场合下，受磨损工件对其材质的要求既要有高的耐磨性，又要具备良好的韧性。单一材质及材料整体高合金化制造的耐磨件已难以满足上述相互矛盾的要求。此外，大多数场合下耐磨工件的磨损都发生在表面或某些特定部位，如采用昂贵的合金元素进行整体合金化或整体颗粒增强复合材料，是极不经济的。因此，开发廉价的钢铁基表面复合材料，使其同时具有外硬内韧、耐磨耐热等综合性能将具有十分重要的意义。

金属材料表面合金化作为提高机械零件可靠性和耐用性的重要手段，迄今，已有众多的金属材料表面合金化技术被应用到实际生产中。目前，已经得到应用的表面强化技术主要有物理气相沉积、辉光离子渗氮、表面离子喷涂、化学沉积、表面喷焊、激光表面强化等。但这些表面改性方法都是在零件成型后的二次表面处理技术，且需要复杂的专门处理设备，增加了工序，生产周期长，耗能大。铸造表面合金化技术是生产金属基表面复合材料的一种特殊制造方法，它又被称为被覆铸造法、铸渗法或熔铸法等。它是将能形成表面特殊性能层的各种铁合金粉末预先粘附、贴固或涂覆在铸型壁的特定表面上，然后浇注液体金属，利用其热量使表面材料熔化而与母材结合，从而使铸件表面形成具有特殊组织和优异性能的一种材料表面处理技术。是表面改性与机械零件成型同时进行的一种新型表面成型技术。正是由于铸造表面合金化技术不同于其它强化技术的这种强化机理和工艺规范，使得它具有与其它工艺方法无法比拟的优点，故在工业生产中备受关注。高锰钢表面合金化大多数是采用传统的砂型铸渗工艺，因而难以获得质量稳定的表面合金层；此外，还存在合金化层厚度小、涂覆位置局限性大、成本高等缺点，这些问题的存在就限制了高锰钢表面合金化的研究与应用。

目前，颗粒增强金属基复合材料因其具有综合性能好、制备工艺简单、成本低廉、适合整体和局部复合等优点，成为复合材料领域的研究热点之一。其中，原位合成TiC、WC、TiB₂、VC等颗粒增强金属基复合材料具有高硬度、高熔点、低密度、低电阻率、低摩擦系数和传导率好等优点，且通过化学反应生成，其颗粒表面洁净、形状规整，与基体界面结合强度高等优点，倍受业界青睐。