铸渗法制备金属基表面复合材料的研究进展及应用

1、铸渗法制备金属基表面复合材料的研究进展及应用周永欣12，赵西成i，吕振林2，杨西荣i摘 要:铸渗技术是近年来发展起来的一种制备金属基表面复合材料的新技术综述这项技术在金属铸渗机 理铸渗工艺方法及其影响因素等方面的研究及应用概况，阐述铸渗法制备金属表面耐磨复合材料的制备工 艺方法 铸渗机理和铸渗组织的新进展，总结了新近幵发的一些改善铸渗效果的工艺措施，并指出了该项技术 目前还存在的若干问题,并对其今后的发展方向进行了展望同时为金属基表面复合材料的制备选择和开发 提供新思路.矢键词:铸渗工艺;铸渗机理;表面复合材料中图分类号:tb331文献标识码:a文章编号:100627930(2006) 052

2、0668206图1铸渗机理示意图sketch map of casting penetration mechanisms铸渗法是近年来发展起来的一项制备金属基表面复合材料的新技术特点是利用高温金属液与 制备好的粉末涂层或粉末压坯或膏块的反应和渗透作用，最终在金属铸件表面获得一层复合材料与其 它表面复合材料的制备方法相比铸渗技术的突出优点是工艺和设备简单生产周期短成本低工件不 变形，能够制备较大厚度的复合材料等,526i.e前,国内外学者对铸渗技术制备表面复合材料的工艺铸 渗机理等方面进行了较为广泛的研究.本文对铸渗技术的工艺机理以及应用方面进行了综合评述.1金属表面铸渗的机理金属表面铸渗是让金

3、属液通过孔隙渗透到合金涂层内，通过一系列高温冶金物化反应在原涂层所在位置形成 合金化层因此，作为铸造技术和冶金强化技术的有机结 合，金属铸渗技术充分利用了铸造凝固潜热的作用，将待 渗元素熔化 分解和扩散，从而在铸件表面形成具有特谢 性能的合金化铸渗强化层.x.tong等人给出了如图1所示的模型认为在金 属液向多孔体渗透的过程中，金属液前沿与多孔体接触并 凝固，后续而来的过热金属液又使先凝固的金属重熔并向 前推进，如此反复，渗透前沿就向整个多孔体蔓延开来，如 果金属液的温度足够高，最终将填满整个多孔体的全部孔 隙按照铸渗复合层内增强相的來源可将铸渗技术分为1.1无化学反应的铸渗机理增强相直接加入

4、预制体内,基体金属液通过渗透烧结等综合作用与增强相形成冶金结合,铸渗复 合层在形成过程中无化学反应在金属铸渗过程中，铸渗层的形成是靠凝固余热提供的热量使待渗元素 发生分解和扩散所致i1.2反应铸渗机理增强相是在铸渗过程中由预制体内的粉末自反应生成,这种铸渗技术主要是利用高温金属液来激3收稿日期:2005209220作者简介:周永欣(19652)，男，陕西富平人，副教授，博士研究生，主要从事耐炳复合材料研究.发粉末的反应体系,铸渗复合层在金属液与粉末层渗透反应等综合作用下形成血.2铸渗法制备金属基表面复合材料工艺2.1普通砂型铸渗法普通砂型铸渗法的工艺过程为：将配置好的合金粉末与粘结剂熔剂配制成

5、膏状并涂覆在型腔表甬 的需要部位上，待铸型干燥后浇注.由于普通砂型铸渗法需要在型腔内壁上涂挂合金化涂料或粘附合金 粉制成的膏块，而膏块存在制作工艺复杂安放固定困难和位置局限性大等问题,因此操作极不方便.该方法存在的突出问题:一是气孔和夹渣难以去除，气孔和夹渣主要来源于粘结剂和熔剂受热气化和渣化，以metallic liquid及粉末涂层或压坯本身空隙所带气体和粉末吸附的气体.ressin8flan丨p卩畀y / 刘耀辉等为避免铸渗层中气孔和夹杂的形成，不使用粘 结剂和熔剂，而将陶瓷颗粒和合金添加剂直接铺盖在下铸 型内需要耐磨的部位，浇注结果发现铸渗层内没有气孔和 夹杂的形成;另外一个问题是对于

6、增强颗粒与基体润湿性 能较差的铸渗复合层的制备显得无能为力，这就需要采取 改善颗粒与基体间的润湿性或施加外力以迫使金属液向粉 末层渗透；除以上不足之处外，普通砂型铸渗法还存在合金 化层厚度小成本高等缺点这些问题的存在使得该工艺多被用于小批量的工艺试验，而难以实现大规模的工业化生图2普通铸渗工艺示意图产fig. 2 sketch map of common casting penetration2.2压力铸渗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渗入预制 体或粉末层中.压力铸渗的优点是增强颗粒与金属液的润湿角，润湿角即使 大于90

7、0金属液仍能够渗透预制块但由于铸渗法采用的基 体金属多为铸铁或铸钢，并且是高温金属液，实际操作起来有一定 的难度和制约性.2.3离心铸渗离心铸渗是在旋转体的型腔内壁预制粉末涂层，然后再均匀浇入过热金属液，使金属液在离心力作用下渗入粉末涂层，凝固后图3压力铸渗示意图得到环状金属基表面铸渗复合层 deo. nath等人叩在上个世纪 fig. 3 sketch map of press casting penetration 90年代初就研制了铸铁基sic陶瓷颗粒表面铸渗耐磨复合材料，并对金属液的浇注温度离心力大小涂层的预热温度和铸型预热温度与铸渗复合层厚度的矣系进行了 较为系统的研究.y. nis

8、hda等人研究了三种离心铸渗方式的铸渗过程,并进行了较为详细的理论分 析,揭示了离心铸渗中复合层为何沿背离离心力方向，而向着轴心逐渐生长的机理.离心铸渗的不足之处是成型的铸件只局限于旋转体和一些表面形状较简单的零件,而对于表面复 杂的零件就无能为力了.2.4负压铸渗负压铸渗工艺有实型负压铸渗和空腔负压铸渗两种基本形式.前者预先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，泡沫模型燃烧变为气体，同 时金属液在负压吸力下渗入粉末涂层，凝固后形成铸渗复合层;而后者是将铸件模型埋入真空砂箱，并 在其上铺盖一层塑料薄膜，然后再抽真空浇注负压铸渗对于铸渗复合层内

9、气孔的有效排除是非常有利 的，但是过大的负压使铸型散热加快，凝固速度增大，这对于铸渗层组织的均匀化是不利的，而且过大的负压还会使铸件出现严重粘砂后果，因而负压铸渗中负压的大 小应有一个最佳范围.此外，负压铸渗法还可根据所需合金层厚度，在合金涂料 层内加入一定比例的聚苯乙烯泡沫小珠粒，使其在浇注时气 化，产生有利于合金液渗透的空洞，从而获得较厚的表面合金 层也正是由于干砂消失模所具有的这些优势，使之与普通砂 型铸渗法相比具有更好的发展前景3影响表面铸渗复合层质量的因素3.1金属与铸渗剂的润湿性cast emitmodulealloy powder coatingh前，在研究屮被采用的基体金属多为

10、铸铁或铸钢基体silicavacuum sucker图4负压铸造工艺铸渗法fig. 3 v2epc casting penetration process金属除应具有足够的强韧性外，更重要的是必须对wc £ic cr2fe等铸渗剂合金要有良好的润湿性和定的溶解度，以保证在界面能形成以铁为基体的固溶体，也就是说使界面呈冶金结合提高结合强度.而在铸铁和铸钢这两种基体材料中，铸铁的熔点低流动性好，因而有利于浸渗，但因其含碳及杂质元素 偏高，高温下反应激烈，从而影响了界面结合;而铸钢由于具有凝固温度高 凝固较快和流动性差等特 点，因此形成合格铸渗合金层的难度较大.研究证明门惑），铸铁基体金属

11、多用来制造抵抗低应力磨粒磨 损工况的耐磨件比较合适，对于一些整体要求具有较好的综合力学性能，而工作表面要求具有特殊性能 （如耐蚀耐热耐磨等）的工件，基体金属则必须采用铸钢，才能满足零件外硬里韧的性能要求.3.2渗剂的组成配制涂层厚度的影响为了获得特殊性能的合金化铸渗层，通常选用抗磨性好硬度高的抗磨合金作为铸渗剂，如wc （hv2400） crfe b fe等除此之外,还可同时加人ti nb co ni等合金元素，以改善合金化层的其他 性能，如抗氧化性和耐高温性等.但衽具体选择铸渗剂时还需考虑以下两个问题：一是铸渗剂与液体金 属间的浸润性，二者的浸润性直接影响到铸渗层的形成强度在改善铸渗剂中合金

12、颗粒润湿性的同吋优 止合金颗粒表面氧化；二是合金颗粒的粒度，合金颗粒的粒度太粗，不利于合金颗粒在短时间内达到熔 融状态;太细，表面积大，粘结剂用暈多,燃烧时产生的气体和残渣多，易造成铸造缺陷，因此合金颗粒笊 粒度应有取值范围袁中岳等的研究，铸渗剂中合金颗粒的粒度一般以0.125 0.635mm为宜，涂粘 的配比一般为：基体金属与渗剂元素的合金为主占65 % -87 % ,耐火填料0 t5 % ,另外还要加入助 渗剂（如稀土）1 %t% ,熔剂2%t%（常用的有硼砂和氟化钠），悬浮剂（如膨润土）和粘结剂为 2 % -10 %（如水玻璃,cmc ,酚醛树脂等）涂料层厚度应根据铸件渗层的具体要求来确

13、定铸涂层薄吋，不足以形成一定厚度的合金化渗层 同时也易被金属液冲散；过厚，不能完全被金属液浸透和熔化，且浇注时易形成裂纹血.渗层的相对厚 度随涂料层相对厚度（涂料层厚度与铸件厚度之比）的增加而减少.3.3液态金属过热度的影响浇注温度控制是形成铸渗层的重要因素|2*4*7j41.浇注温度过高，渗剂元素烧损严重，基体晶粒粗大； 而浇注温度过低,合金涂层得不到足够的热量，熔合强度低，渗层容易脱落,扩散层薄或形不成扩散层. 同时浇注温度低也使得金属液流动性差，造成金属液渗透能力下降，导致金属液不易与合金颗粒熔合 常出现气孔夹渣等缺陷对于浇注温度的控制，虽然一般铸钢件的浇注温度控制在1 530 t 58

14、0 °c 铸铁件浇注温度控制在1 350 °c以上，但还需和合金涂料中合金相配合，如用crfe为铸渗剂进行铸渗 表面合金化，且母材为铸铁时，浇注温度应以1 390 °c为宜而用高碳縮铁粉为铸渗剂进行铸渗表面合 金化，母材为低镭钢时,浇注温度应以1 580。伪宜.3.4金属液渗透能力的影响合金液对合金化涂层或预制块的润湿性反映了金属液渗入的热力学条件，为了进一步强化金属液 对涂敷层的渗透,还可以采用向液体施加外力的方法这类外力可以是外加的正压力 负压力，还可以是 超重力（通过离心力场或振动等方法获得）1，22*5' 4铸渗法制备钢铁基表面耐磨复合材料研究的新

15、进展4.1对铸渗机理的探讨金雪松等i冋9针对石墨砂型铸渗过程，通过热力学 动力学分析计算，对渗碳过程的渗碳机理进行 研究，认为石墨在钢液中的直接溶解及碳在钢中的扩散是产生石墨砂型铸渗效果的主要原因，提出了在 碳化物析出条件下石墨砂型铸渗过程的温度场浓度场固相分数场相统一的数学模型.衽此数学模型 基础上，利用有限元差分法对铸渗件二维不稳定温度场浓度场固相分数场等进行了数值模拟计算 系统研究了铸件尺寸浇注温度铸型预热温度石墨砂层厚度等因素对渗层深度碳浓度分布的影响 并由此提出了石墨砂型铸渗工艺设计的原则；魏世忠等i对铸钢进行表面铸渗研究，试验结果表明怡 金化铸渗层的形成主要是钢液向涂料层浸渗，合金

16、粉末熔化，随后与渗入钢液混合并进行元素扩散， 最终凝固结品其中靠近型壁的合金粉末几乎是原位熔化与钢液混合，合金元素的扩散能力极弱，因帀 在表层及次表层形成由大量合金碳化物m7c3及fe3w3c组成的区域，硕度较高而离型壁较远的合 金粉末，边熔化边向钢液漂移，合金元素扩散能力强，凝固结晶形成一定宽度过渡区.过渡区各处的结 晶条件合金元素含量不同，形成的组织也各不相同，在近界面处合金元素含量高，形成网状碳化物方 布于枝晶间的混合组织，其硬度较表面层有较大下降，在界面处合金元素迅速下降，凝固结晶较缓慢， 形成铁素体与碳化物片交替组成的羽毛状织，硬度急剧降低.纪朝辉等|咙2|对干砂消失模铸铁件表面合金

17、化的铸渗机理进行了研究.通过建立数学模型，对钱 渗过程中的铁液传输进行了理论分析，给出了铸渗量与浇口的大气压力铁液静压力渣液阻力及附加 压力的矢系式，提出了铸渗量大小主要取决于铸渗孔道半径的新观点.同时还利用正交试验对合金涂层 中合金粒度加入量熔剂加入量及涂层屮聚苯乙烯泡沫加入量等工艺因素对铸渗层质量的影响进行了 验证，结果和理论计算较吻合并认为影响铸渗速度和深度的主要因素有金属粉末颗粒大小 金属液叢 面张力金属液与粉末的润湿性金属液的静压头铸型的真空度金属液处于液态的时间和粘度等.图5 sic/钢基表层复合材料fig. 5 the interface of sic2steel surface

18、 complex material4.2铸渗法制备金属基表面复合材料的应用随着铸渗法制备钢铁基表面耐磨复合材料方面的理论研究的 逐步深入，衽应用研究方面也取得了长足的进步.mechel等妁通 过铸渗工艺在钢锭模上形成了 0. 2 -0.6mm的铝合金化抗热涂 层，使模具高温抗磨损能力提高了 7 % t0 %;沈蜀西等切用铸渗 方法研究铸铁渗珞制砖模具，生产结果表明，铸铁渗铮模具的使用 寿命为变质铸铁的8t0倍,比灰铸铁提高26倍以上;袁中岳 等|针对承受严重冲蚀磨损的渣浆泵过流件，采用砂型负压铸渗 工艺制备了 wc/灰铸铁基表面复合材料，结果表明,wc/灰铸铁 基表面复合材料具有良好的微观组织

19、结构和优异的抗冲蚀磨损性 能航冲蚀磨损性能是高乍各铸铁(crl5mo3)的2. 7倍;祁小群等采用负压渗透法成功制备出wc颗粒增强高鋁铸铁基表面复合材料喷射衬板，其耐磨性能是高路铸 铁的5.1倍，大大提高了使用寿命;最近我们通过一系列的试验研究，也成功的采用负压铸渗法制备出sic增强钢基复合材料如图5所示,其宏观形貌的断面组织包括复合层 过渡区和基体试样界面三个不 同的区域，复合效果良好.5结束语铸渗技术作为制备金属基表面复合材料的一种新工艺具有广阔的市场应用前景.为了进一步提議 铸渗产品的质量,扩大其工程应用范围，今后一段时间研究的侧重点为：(1) 对铸渗工艺理论与截面理论还需要进一步作深层

20、次的研究，如铸渗层形成过程的热力学动丈 学原理和铸渗层凝固的控制等同时还要注意铸渗表面复合材料凝固过程的研究以及在工程上的应斥 研究等；（2）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（如浇注温度和粘结剂选择熔剂种类和数量确定等）和数学模型建立等方面存 在的不足环节；（3）基体金属与渗剂成分的润湿性是否良好是影响渗层形成与品质的首要因素，改善金属液与渗 剂的润湿性一直是铸渗研究中的重要课题.参考文献references11杨贵荣，郝 远，宋文明，等铸渗法制备铜基表面复合材料川复合材料学报,2005, (1):52257.yan g g

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