CN110202091B - 一种碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种碳化钨(WC)颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法。该制备方法为：以酚醛树脂水分散体为粘合剂，将碳化钨颗粒与聚苯乙烯泡沫(EPS)珠粒制成消失模，表面涂耐火涂料，烘干后埋入型砂，浇入所述高铬铸铁熔液，冷却凝固后即得。该制备方法利用模样载体的过载作用和铁液的包裹作用使WC颗粒混入高铬铸铁熔液中，通过对各参数进行优选，能够使制得的复合材料内部具有分布均匀的WC颗粒，并且该制备方法能够制备多种形状的制品，包括结构复杂的构件。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法。
背景技术
不断发展的现代工业需要更多能够在高温、高速和频繁磨损等条件下工作的机械构件，如破碎机锤头、高速列车的刹车片、高速线材轧机的辊环和导向轮等。颗粒增强铁基复合材料以具有较高的刚度、强度和硬度的钢铁材料为基体，以硬质颗粒为增强相，通过一定工艺将二者复合而成，兼有铁基体的良好塑韧性、易加工性和导电导热性，以及硬质颗粒的高硬度、良好的热稳定性和低膨胀系数，适应现代工业的需求，具有良好的发展和应用前景。
颗粒增强铁基复合材料的主要制备方法有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和消失模铸渗法等。其中粉末冶金法和喷射沉积法所需设备昂贵，生产成本高，并且成型件的尺寸和形状受限；搅拌铸造法操作简单且成本低廉，但硬质颗粒不易均匀分布金属液中，容易团聚，且搅拌时金属熔体容易氧化或卷气，带来杂质或气孔等铸造缺陷。消失模铸渗法成本较低，但其现有技术中硬质颗粒仅能在产品表面形成硬质颗粒与铁基的复合层，复合层的厚度及硬质颗粒与铁基体的结合强度不易控制，硬质颗粒分布不均，因此该方法局限于制造表面耐磨、耐蚀及耐热应用领域中结构简单的零件，不宜制备整体复合的复杂零件。并且当复合层磨损后，则会暴露出不含硬质颗粒的铁基，使其性能下降。
发明内容
针对现有消失模铸渗法仅能在产品表面形成复合层的问题，本发明提供一种碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下技术方案：
一种碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，以0.02～0.04g/mL的酚醛树脂水分散体为粘结剂，将碳化钨颗粒与聚苯乙烯泡沫(EPS)珠粒在模具中制成消失模，表面涂耐火涂料，烘干后埋入型砂，浇入高铬铸铁熔液，冷却凝固后即得；所述粘结剂的体积为所述消失模体积的0.3～0.5％；所述碳化钨颗粒的粒径为6.5～21μm，所述碳化钨颗粒的总体积为所述消失模体积的6～8％。
高铬铸铁是指含铬量在12％-28％之间的铬系白口铸铁，具有优异的耐磨损性，以及良好的抗高温性、抗腐蚀性、韧性和强度。碳化钨具有与金刚石相近的高硬度，化学性质稳定，且可良好地导热导电。本制备方法利用模样载体的过载作用和铁液的包裹作用使WC颗粒混入高铬铸铁熔液中，通过对粘结剂种类、浓度和用量进行优选，能够将碳化钨颗粒分布于高铬铸铁中，使制得的复合材料内部具有分布均匀的WC颗粒，从而能够使所得复合材料具有极高硬度和耐磨损性，满足其在高温、高速和频繁磨损等条件下工作的需求。优选的碳化钨粒径以及体积百分含量(即碳化钨颗粒占模具体积的百分比)，既能使所得复合材料具有更好的性能，又能保证其成型性良好。并且该制备方法采用的铸铁方法为浇注法，所以能够浇注制成多种形状的制品，包括结构复杂的零件。所得复合材料也可经进一步加工制成结构复杂的零件，打破了现有技术中只能制造简单结构零件的局限。
本制备方法采用的WC颗粒载体为EPS珠粒，具有质地轻、浇注时易挥发、发气量少、残留物少的优点，同时酚醛树脂水分散体也可在浇注时气化而随气体排出，不易残留在铸件内，因此能够大大减少制备所得复合材料中的杂质含量。优选的粘结剂种类、浓度和用量能够确保将WC颗粒牢固地粘结在EPS珠粒表面，但又不至于因粘结剂浓度过高使消失模气化时产气增多、杂质增多而降低产品性能，或粘结剂用量过大而使物料团聚严重、不利于充型。碳化钨在 500℃以上时则会开始活性氧化，而高铬铸铁熔点高于1400℃，本制备方法通过对粘结剂种类、浓度和用量以及碳化钨颗粒粒径的优选，能够使酚醛树脂与 EPS的气化与铁液的包裹作用配合良好，防止碳化钨在界面处因高温而发生氧化。以上优选的工艺参数之间相互配合，使该方法能够制得WC颗粒分布均匀、不限形状的碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料，适合在工业大生产中广泛应用。
优选地，所述EPS珠粒的粒径为1～2mm。优选的EPS珠粒粒径能够使WC 颗粒在制成复合材料后分布更均匀，从而使所得复合材料具有更好的性能。
优选地，所述酚醛树脂水分散体的浓度为0.03g/mL。
优选地，制备所述消失模的方法为：将所述粘结剂倒入装有所述EPS珠粒的容器中，将珠粒浸润，再倒入WC颗粒，混合均匀，移入模具内，在110～130℃保温2～3分钟，冷却后即得。该方法能够使EPS珠粒表面均匀且牢固地负载 WC颗粒。
优选地，涂所述耐火涂料的方法为：向所述消失模表面刷涂所述耐火涂料，烘干后再次涂刷，重复3～5次。耐火涂料经多次涂刷在消失模表面之后，能够在消失模表面形成一层致密的耐高温涂层，一方面可以隔开铁液与型砂，防止浇注铁液后铁液渗入型砂的砂粒孔隙内而在产品表面出现针刺或粘砂现象。多次涂刷工艺还能够在消失模表面形成具有一定硬度的外壳，提高消失模的刚性，防止其埋入型砂时变形而影响到最终产品的尺寸精度。同时，该致密涂层能够促进酚醛树脂、EPS气化时产生的气体尽快排出，避免产生浇注不完全、气孔、夹渣、碳黑等缺陷。
优选地，所述烘干的温度为45～60℃，每次烘干时间为6～8小时，以确保每次涂刷后充分烘干，使涂层更致密。
优选地，浇入所述高铬铸铁熔液的工艺参数包括：负压度0.03～0.06MPa，浇注温度1410～1470℃。优选的负压度能够加速气化产物排出，并改善铁液的充型效果，减少所得产品的表面缺陷，负压过低则上述效果降低，而负压过高则会增加铁液的渗透力，可能会出现粘砂或烧结能情况。浇注温度过低则会浇注不足，且不利于气化，而浇注温度过高则容易造成补缩不良等缺陷，还会使瞬时产气量过大而不能及时排出。负压度与浇注温度配合，能够使浇注更完全、气化产物更快排出、产品表面质量更好。
优选地，浇入所述高铬铸铁熔液的工艺参数还包括：浇注速度为 10～20mm/s。该速度为高铬铸铁熔液在模具中上升高度的速度，优选的浇注速度能够使产品中的WC颗粒分布更均匀，浇注速度太慢会出现冷隔、浇注不足的情况，过快则会使铁液紊流而导致氧化物夹杂、WC颗粒分布不均，且气化产物不易排出。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1、将相当于消失模体积0.3％的浓度为0.02g/mL的酚醛树脂水分散体倒入装有EPS珠粒(粒径1～2mm)的混料机中，将珠粒浸润，然后倒入相当于消失模体积6％的WC颗粒(粒径6.5～21μm)，搅拌混料10分钟，使EPS珠粒与WC颗粒均匀混合。把物料吸入储料罐中，对储料罐施加压力，使物料通过料枪充入模具内，通入110～130℃蒸汽，保温2min，水冷，得到消失模。
2、将所得消失模表面刷涂耐火涂料，在45℃的烘干房内烘干，再涂抹，再烘干，反复三次，每次烘干时间为8小时。
3、将涂有耐火涂料的消失模放入砂箱内，固定后填砂并震动紧实，然后在浇注温度1410℃、负压度0.06MPa、浇注速度10mm/s的条件下浇入高铬铸铁熔液成型，即得到碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料。
实施例2
本实施例提供了一种碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1、将相当于消失模体积0.4％的浓度为0.03g/mL的酚醛树脂水分散体倒入装有EPS珠粒(粒径1～2mm)的混料机中，将珠粒浸润，然后倒入相当于消失模体积8％的WC颗粒(粒径6.5～21μm)，搅拌混料10分钟，使EPS珠粒与 WC颗粒均匀混合。把物料吸入储料罐中，对储料罐施加压力，使物料通过料枪充入模具内，通入110～130℃蒸汽，保温3min，水冷，得到消失模。
2、将所得消失模表面刷涂耐火涂料，在50℃的烘干房内烘干，再涂抹，再烘干，反复三次，每次烘干时间为8小时。
3、将涂有耐火涂料的消失模放入砂箱内，固定后填砂并震动紧实，然后在浇注温度1450℃、负压度0.05MPa、浇注速度15mm/s的条件下浇入高铬铸铁熔液成型，即得到碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料。
实施例3
本实施例提供了一种碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1、将相当于消失模体积0.5％的浓度为0.04g/mL的酚醛树脂水分散体倒入装有EPS珠粒(粒径1～2mm)的混料机中，将珠粒浸润，然后倒入相当于消失模体积8％的WC颗粒(粒径6.5～21μm)，搅拌混料10分钟，使EPS珠粒与 WC颗粒均匀混合。把物料吸入储料罐中，对储料罐施加压力，使物料通过料枪充入模具内，通入110～130℃蒸汽，保温3min，水冷，得到消失模。
2、将所得消失模表面刷涂耐火涂料，在60℃的烘干房内烘干，再涂抹，再烘干，反复五次，每次烘干时间为6小时。
4、将涂有耐火涂料的消失模放入砂箱内，固定后填砂并震动紧实，然后在浇注温度1470℃、负压度0.03MPa、浇注速度20mm/s的条件下浇入高铬铸铁熔液成型，即得到碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料。
检验例
测定本实施例1～3所得碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的耐磨性和WC 颗粒分布情况，检测方法如下：
1、耐磨性
以不添加WC颗粒、按上述实施例2中的制备方法制得的产品为空白样品，对比实施例1～3所得产品和空白样品的耐磨性：动态磨蚀试验采用自行研制的试验机进行，该试验机由小型台式钻床改造而成，主要由浆料桶、夹盘、电机、调节水阀等构成。浆料由2.5kg的20目的石英砂和2.5L的水配制而成，试样尺寸为18×18×38mm，每组4块，分别为实施例1～3和空白样品，磨损时间 240min。在JJ224BC型电子分析天平上测量各产品磨损试验前后的质量。
磨损率＝(试验前质量-试验后质量)÷试验前质量×100％。
结果如表1所示。
表1
| 考察项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 空白样品 |
| 试验前质量(g) | 87.5212 | 89.3686 | 89.6026 | 88.6154 |
| 试验后质量(g) | 86.3898 | 88.2278 | 88.4758 | 86.9964 |
| 磨损率(％) | 1.293 | 1.277 | 1.283 | 1.827 |
由表1的结果可见，实施例1～3所得产品的磨损率仅为1.293％、1.277％、1.283％，而空白样品磨损率为1.827％，可见按本发明提供的碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法制得的产品具有优异的耐磨性。
2、WC颗粒分布分析情况
通过对基体试样和加入WC颗粒试样的金相分析，由于加入WC颗粒的粒度极小及含量较低，在蔡司显微镜下难以找到WC颗粒。通过XRD分析试样中物相种类，分析发现存在着高铬铸铁熔液与WC颗粒反应生成的Fe3W3C物相。故采用光谱分析基体试样中W元素的含量分布，用于检测Fe3W3C物相及未与铁液反应的WC颗粒分布情况。
对实施例1～3试样沿与浇注方向垂直的中间截面切割两部分，以近浇道至远浇道位置平均分为上中下三个区域，利用光谱仪自上而下在每个区域平行打两个点，把每个点的W元素含量标记为A、B、C、D、E、F。
如表2所示。
表2
| 组别 | A/％ | B/％ | C/％ | D/％ | E/％ | F/％ |
| 实施例1 | 3.87 | 3.90 | 3.98 | 4.1 | 4.28 | 4.35 |
| 实施例2 | 4.36 | 4.33 | 4.5 | 4.45 | 4.97 | 5.1 |
| 实施例3 | 3.66 | 3.58 | 3.864 | 3.92 | 4.32 | 4.39 |
对实施例1～3极差分析，分别为0.48％、0.74％、0.81％，数据波动范围较小，表明试样中W元素分布较为均匀，间接表明Fe3W3C物相及未与铁液反应的WC颗粒分布较为均匀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，其特征在于，以0.02～0.04g/mL的酚醛树脂水分散体为粘结剂，将所述碳化钨颗粒与聚苯乙烯泡沫珠粒在模具中制成消失模，表面涂耐火涂料，烘干后埋入型砂，浇入高铬铸铁熔液，冷却凝固后即得，所述粘结剂的体积为所述消失模体积的0.3～0.5％；所述碳化钨颗粒的粒径为6.5～21μm，所述碳化钨颗粒的总体积为所述消失模体积的6～8％；浇入所述高铬铸铁熔液的工艺参数包括：负压度0.03～0.06MPa，浇注温度1410～1470℃；浇入所述高铬铸铁熔液的工艺参数还包括：浇注速度为10～20mm/s。
2.根据权利要求1所述的碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述聚苯乙烯泡沫珠粒的粒径为1～2mm。
3.根据权利要求1所述的碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述酚醛树脂水分散体的浓度为0.03g/mL。
4.根据权利要求1所述的碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，其特征在于，制备所述消失模的方法为：将所述粘结剂倒入装有所述聚苯乙烯泡沫珠粒的容器中，将珠粒浸润，再倒入碳化钨颗粒，混合均匀，移入模具内，在110～130℃保温2～3分钟，冷却后即得。
5.根据权利要求1所述的碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，其特征在于，涂耐火涂料的方法为：向所述消失模表面刷涂耐火涂料，烘干后再次涂刷，重复3～5次。
6.根据权利要求5所述的碳化钨颗粒增强整体铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为45～60℃，每次烘干时间为6～8小时。
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