钢表面铸渗烧结涂层分析

【摘要】铸渗工艺铸造表面复合材料是铸造金属基复合材料的一个重要组成部分。它把高硬度、高熔点、高弹性模量、耐磨、耐蚀的陶瓷颗粒或纤维复合在不同性能的金属表面, 既可使整个构件具有满足工况要求的强韧性, 又可使构件表面一定厚度范围内具有高的耐磨、耐蚀性,并能延长使用寿命。本文主要就铸渗材料和铸渗工艺的发展和铸渗法存在的问题作一些浅显的探讨。

【关键词】铸渗材料铸渗工艺问题

前言

近年来．我国铸造业获得了飞跃式的发展，从2000年至2003年．中国铸件产量跃居世界首位.从2003年至今中国铸件产量依旧保持持续增长。这种趋势在近期内有可能将继续保持并保证中国铸造业的持续繁荣。但在铸造业繁荣的背后。也存在着形势严峻的一面。能源环境的制约以及国际铸造科技竞争加剧和知识产权的保护强化已成为我国铸造业发展的瓶颈，发展节约环保型、科技创新型铸造之路刻不容缓。

一、 铸渗材料的发展

（1）表面合金化

表面合金化是铸造技术与表面冶金强化技术的结合．是利用铸造时液态金属的热量将待渗元素熔化、分解、扩散，从而在铸件表面形成特殊性能的合金层。起到表面强化作用。铸造表面合金化的基本原理铸造表面合金化又称铸渗，首先将要铸渗的合金粉末或陶瓷颗粒等增强相预先同定(通过涂料或以膏块形式粘贴)在型壁的特定位置上，然后浇注金属液。让金属液通过孔隙渗透到合金涂层内，包围合金颗粒，在熔剂和其它添加剂的共同作用下。通过一系列高温冶金物化反应在原涂层所在位置形成合金化层。

（2）外加强化相表面材料复合

最常用的是加入陶瓷颗粒，陶瓷颗粒按稳定性从小到大依次为：碳化物、氮化物和氧化物，一般碳化物、氮化物用于常温磨损工况，而高温磨损工况最好采用氧化物。WC是使用最多的一种铸渗剂，与钢铁材料相比，WC具有高硬度和高红硬性，同时它的抗压强度、导热和杨氏模量比钢铁材料高2～4倍，更重要的是WC与钢铁熔体润湿性好，易形成铸渗层，也是经常使用的强化相，但由于其与钢铁溶体的润湿差，不适用于铸渗工艺；通过表面技术对AI：0进行Ni涂层和TiN涂层处理，改善了其与钢铁溶体的润湿性，并发现经Ni涂层AI0，颗粒增强的表面复合材料具有高的界面结合强度，表现极高的高温耐磨性。

（3）内生强化相表面材料复合

借助于材料合成的最新发展，把反应合成引入铸渗的技术，通过粉末之间的反应原位形成增强相。可以解决钢铁液对陶瓷相润湿性差的问题，如WC可作为增强相，是因为钢铁液对WC润湿，可通过铸渗形成铸渗层；相反，钢铁液对大多数陶瓷增强相不润湿，如与SiC、A1：O，的润湿角大于90。，无法形成铸渗层，这时通过反应铸渗，形成含有这些陶瓷相的铸渗层。采用铝粉、氧化铜粉、钨粉和碳粉，通过氧化铜和铝的放热反应诱发反应w+C=WC，在铸渗层中获得原位的WC陶瓷相。刮采用含强碳化物形成元素合金粉末等进行反应铸渗，分别得到Fe―TiC、Fe．VC、Fe．VC-石墨等表面复合材料。严有为、纪朝辉分别采用Fe、C、Ti元素粉末，同样通过反应铸渗得到Fe．TiC表面复合材料。

二、铸渗工艺的发展

（1）普通铸造工艺

将增强粉末与粘接剂、溶剂等混制的涂料、膏剂或预制块覆在型腔表面需强化的部位，待铸型干燥后浇注。由于涂料中的无机物和有机物在铸件形成的过程中产生的夹渣和气体也极易残留在铸渗层内，且预制块、膏块放置和固定困难，仅适用于小批量的二次性试验，难以实现大规模行业生产。

（2）V法铸渗工艺

工艺原理简介：

真空密封造型铸造亦称 V法铸造 。其基本原理：在带抽气室的砂箱内填入单一千砂，稍加微震紧实，然后对型面和砂箱背面覆有塑料薄膜的砂型抽真空刑用砂箱内外的压力差使铸型定型，然后起模、合箱，在保持真空状态下浇注金属液。其工艺程序见下图 。

面膜烘烤覆面膜安放浇冒口喷涂料放砂箱加砂微震

模样抽真空真空罐 模样卸真空、砂箱抽真空

卸压开箱浇注冷却合箱下芯起模铸型覆背膜

铸件清整

V法铸造工艺程序简图

V法铸造原则

v法铸造通常采用水平分型，浇注时要求金属液 快速平稳充型。为了保证型腔内液面平稳上升及防止金属液对型腔面膜的喷射冲刷，特别是浇注大平面时要倾斜浇注，以免金属液大面积烘烤型腔面，应尽量缩短浇注时间。最好采用底注式或中注( 侧注 )式，避免顶注，浇口按半封闭式设计，其浇道截面尺寸比例为：F内：F措：F直=1：(1.5～2)：(1～1.3) ，注意浇冒口位置要避开砂箱加强筋。浇注时必须满浇注不断流 。

（3）V- EPC铸渗工艺

V.EPC铸渗工艺，即实型负压铸渗工艺，是采用聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)制备试样模型，埋入干砂的塑料模型经振实后，在负压下定型和浇注，将增强粉末塑料覆于模型的表面。同样，负压可及时排除EPS和粘胶剂气化产物，较好地避免了铸渗层的气孔和夹渣等缺陷。此外，由于不需分型、不需下芯和起膜，涂层膏块的放置方便，非常适合于铸渗工艺，具有很好的工业应用前景。近年米，采用V―EPC铸渗研究有较多报道，如张冉阳、李祖来等对铸铁进行了WC表面复合材料的铸渗研究¨

（4）离心铸渗

金属基复合材料已有许多种制造技术，其中渗透铸造是比较有效和廉价的技术之一。渗透铸造又有压力渗铸、离心渗铸和无压渗铸等。在离心渗铸工艺中，金属熔液依靠离心力使得其在多孔预制体内进行渗流，只有当离心压力大于临界渗透压力时，渗铸过程才能进行，而铝熔液的质量、预制件的孔隙率和模具的角速度等工艺参数对渗透压力有着非常重要的影响。在实际生产中，迫切需要确定最小临界参数的理论依据，以便掌握操作过程，而目前国内外有关于这方面的文献资料还很欠缺。

离心铸渗在旋转体的犁腔内壁放置预制块粉末涂层，浇入的金属液在离心力作用下渗入粉末涂层，由于涂覆层产生的气体和夹渣物在离心力场下迅速上浮，可完全消除铸造缺陷。利用离心铸渗使铁液渗入Sic粒子预制块内，获Sic颗粒强化铸铁慕表面复合材料。

（5）SHS-casting工艺

自蔓延高温合成( Self―propagating High temperature Synthesis 简称SHS )是20世纪6 O年代由前苏联学者Merzhanov、Brovinkaya和Shriko在发现“固态火焰”的基础上提出来的一种材料合成新方法I t j。它是基于放热化学反应的基本原理．利用外部能量诱发局部化学反应(点燃)，形成化学反应前沿(燃烧波)，此后化学反应在自身放出热量的支持下继续进行，表现为燃烧波蔓延至整个反应体系，最后合成所需材料。SH熔铸法是熔铸技术结合SHS技术发展起来制备金属基复合材料的一种新方法。传统的金属基复合材料是陶瓷相外加到熔融金属基体中， 因而 颗粒表面污染及氧化问题是不可避免的。而 S HS熔铸法则可解决这个问题。就At／Ti B2复合材料而言，其具体过程是将 A1、Ti 、B三种元素粉末按化学计量比均匀混合，在装置中，经S HS 过程合成 T i 岛 陶瓷增强相，随后在A 1 熔点上的温度下使其均匀地分散到熔融金属AI中．从而制得AI／T i B 2复合材料。T 陶瓷相为原位生长，没有暴露于空气中，从而克服了颗粒表面污染及氧化等问题。这个过程的技术关键是相组成控制及反应与熔融参数的匹配问题。

三、铸渗法存在的问题及展望

目前尽管金属铸渗技术在国内外已得到了很大一部分的应用和发展，但仍然存在不少的问题需委解决。主要表现在：①铸渗层质量不高。如铸渗层中经常会形成气泡、夹渣和粘砂等缺陷。此外，铸渗层深度不均匀、表面粗糙度高和不易进行机加等诸多问题也与铸渗层的质量有一定联系。②表面合金化效果对工艺参数的变化较敏感。由于这些原凶，在金属铸渗时，要想获得质量稳定可靠的表面合金化效果，必须有良好的设备条件和严格的生产工艺措施，这会使成本增加、操作复杂。③金属铸渗过程的数值模拟研究还有待深入展开，由于金属铸渗过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关联，对这样一个复杂过程，如果采用实验的方法来研究工艺因素变化对铸渗层质量的影响，则难度大、费用高，且有一定盲目性，而数值模拟方法可以很好地解决这一问题。虽然国内外在金属铸渗过程的数值模拟方面进行了一些研究，建立一些简单的数学模型，但由于假设条件太多，模拟以计算的可靠性难以保证。这些问题的存在，极大地制约了金属铸渗技术的推广和使用。此外，在理论上缺乏深入的研究和探讨也阻碍了该技术的进一步发展。因此，采用更有效的手段，加大在铸渗机理、铸渗工艺以及铸渗过程的数值模拟等方面的研究力度，以克服在铸渗层形成机理、具体铸渗工艺制定和数学问题就显得尤其重要了。

结论

铸造表面合金化技术，能够把金属材料的强韧性与强化成分的高硬度、高刚度结合起来，使零件的整体性能得到改善，且其工艺简单、成本低廉，不仅可以在航天航空工业上应用，也可以在汽车、矿山机械制造等民用工业上应用。可以相信，表面合金化技术在耐磨、耐蚀、耐热复合材料制品生产方面将具有极广阔的前景。

参考文献

【1】 张立波，葛晨光，田世江．关于我国铸造业走自主创新道路的思考【J 1，铸造2 0 0 6，5 (55) ；429 ―432 ．

【2】刘耀辉,于思荣,任露泉,赵玉谦.金属基耐磨铸造表面复合材料的现状及其今后研究工作的主攻方向[J].摩擦学学报, 1994, 14 1 : 89～95 .

【3】鲍崇高，王恩泽，高义民．等．A1203颗彬耐热钢复合材料的制

备及高温磨料磨损性能[J]．复合材料学报，2001，21(1)：56-60

【4】张冉阳，陈跃，张永振，等.消失模铸渗成形工艺研究及应用[J]．

铸造技术，2005，26(10)：95l-953

【5】戴绪绮，冀守勋。王文清．铸造工艺中的冷芯盒法_ 研究与开发，1989.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。