消失模鑄造鋼鐵基表面復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

于淑苗，譚建波

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

消失模鑄造（LostFoamCasting，簡(jiǎn)稱LFC）技術(shù)是用泡沫塑料做成和零件結(jié)構(gòu)完全相同，尺寸相似的實(shí)型模樣，模樣表面涂上耐火涂料，烘干后經(jīng)干砂造型，振動(dòng)緊實(shí)，然后在真空負(fù)壓下澆入液體金屬，使模樣受熱氣化，從而使液體金屬代替泡沫摸樣原來(lái)的位置，凝固冷卻后得到鑄件的方法。消失模鑄造是目前最有發(fā)展前途的鑄造方法之一，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色生產(chǎn)方法。

消失模鑄造表面復(fù)合材料是將配制好的合金涂料或膏塊粘附在用可發(fā)性聚苯乙烯制成的鑄件模型上，涂刷耐火材料并烘干后，用干砂振動(dòng)造型。當(dāng)金屬液充型時(shí)，泡沫模樣和合金化涂料層中的有機(jī)黏結(jié)劑等遇高溫分解氣化，產(chǎn)生的氣體在負(fù)壓抽力的作用下從涂層空隙中溢出；高溫金屬液在毛細(xì)管力、負(fù)壓吸力、鐵液靜壓頭等的作用下，向合金粉末空隙滲入。合金粉末顆粒熔融、分解和擴(kuò)散，最終與母液結(jié)合形成表面具有特殊性能的鑄件。該工藝簡(jiǎn)便實(shí)用，鑄件設(shè)計(jì)的靈活性大、鑄件表面平整，可以避免鑄滲工藝中的氣孔和夾渣等缺陷，負(fù)壓對(duì)泡沫塑料和黏結(jié)劑氣化產(chǎn)物的排出十分有效，顯著改善了鑄滲層的質(zhì)量，較其他鑄滲方法生產(chǎn)成本低，合金層厚度大，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 消失模鑄造鋼基表面復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

顆粒增強(qiáng)鋼基耐磨表面復(fù)合材料，因具備獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)而被重視。通過(guò)鑄滲法制備顆粒增強(qiáng)鋼基耐磨表面復(fù)合材料的工件，是實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用的重要途徑。在顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料的研究中，采用較多的增強(qiáng)顆粒有SiC、WC、Ni-WC、Cr-Fe等。

1.1 SiC 顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料

研究表明，SiC粒度、添加劑以及工藝參數(shù)對(duì)鑄滲層深度和熔合質(zhì)量有重要的影響，其中，SiC粒度粒度過(guò)大或過(guò)小都不能形成理想的復(fù)合層，當(dāng)SiC粒徑為600μm～850μm時(shí)可以制備存在明顯的復(fù)合層、過(guò)渡區(qū)和基體區(qū)的表面復(fù)合材料，其復(fù)合層中含有高耐磨性的SiC顆粒，且表面平整，分布均勻，界面結(jié)合狀況良好[1～3]；黏結(jié)劑的種類和加入量對(duì)復(fù)合層的形成也有重要作用，其中黏結(jié)劑種類選擇不合適將直接導(dǎo)致合金涂層在烘干過(guò)程中開(kāi)裂和潰散，無(wú)法形成理想的復(fù)合層；澆注溫度是能否得到良好的復(fù)合層的又一關(guān)鍵因素，過(guò)低的澆注溫度無(wú)法使金屬液完全浸滲合金涂層，而過(guò)高的澆注溫度又造成增強(qiáng)顆粒分解和沖散，還會(huì)造成合金元素的過(guò)度燒損。研究過(guò)程中通過(guò)組織觀察分析發(fā)現(xiàn)，碳化硅顆粒彌散在復(fù)合層中，粒形基本保持完整，分布均勻，與基體構(gòu)成冶金結(jié)合，復(fù)合材料性能大大優(yōu)于基體，沖蝕磨損率隨沖蝕角的增大而迅速增大，當(dāng)沖蝕角達(dá)到60°時(shí)，沖蝕磨損率達(dá)到最大值，隨后其沖蝕磨損率稍有降低[4～8]。

1.2 WC 顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料

WC顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料強(qiáng)度高，表面復(fù)合層硬度高，是性能優(yōu)良的耐磨材料[9～12]。研究表明，以不同體積分?jǐn)?shù)的WC顆粒所制成的復(fù)合材料，表面均較平整，碳化鎢顆粒和基體的原始成分都有所改變：WC顆粒均勻分布于復(fù)合層中，形成WC和W2C的共晶組織，基體則主要由Fe7C3、Cr7C3、（Cr、Fe）7C3及Fe6W6C組成。過(guò)渡層過(guò)渡平緩，鑄件表面平整光潔，尺寸精度大為提高。且合金層厚度均勻，可達(dá)5 mm～10mm，與基體之間結(jié)合良好。硬度和耐磨性都不同程度提高，其中硬度可達(dá)60HRC以上，耐磨性可達(dá)20%Cr高鉻鑄鐵的2.8～3.30倍[13-16]。

1.3 Ni-WC 顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料

Ni-WC顆粒與鋼基材料具有優(yōu)異的潤(rùn)濕性。研究表明，以高錳鋼為基體的復(fù)合材料在組織觀察中由表及里明顯分為表面合金層和基體兩個(gè)區(qū)域，中間過(guò)渡層不明顯。在表面合金層中，Ni-WC顆粒全部熔解，其組織是由大量的條塊狀碳化物，少量細(xì)小的類魚(yú)骨狀的富鎢碳化物和奧氏體組成，基體組織則呈現(xiàn)為單一奧氏體。在靠近表面合金層的基體區(qū)域中還可以觀察到晶粒內(nèi)部和晶界上都有碳化物析出。而以45鋼為基體的復(fù)合材料在組織觀察中可以看到是由表面復(fù)合層、過(guò)渡層和基體層3個(gè)區(qū)域組成，其表面復(fù)合層組織由粗大條塊狀的M3C與M7C3的混合物、細(xì)小條狀的WC與W2C的混合物以及樹(shù)枝晶體組成；中間過(guò)渡層由珠光體窄帶亞層、塊狀珠光體和鐵素體混合亞層組成；基體區(qū)由塊狀珠光體和鐵素體組成[13，14]，且實(shí)驗(yàn)得到的復(fù)合層厚度都在5mm以上。

1.4 Cr-Fe 顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料

Cr-Fe顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料研究中，多采用L9（34）正交試驗(yàn)確定合理的合金涂料配方。研究表明：合金粉末的粒度和加入量、合金涂層厚度等因素是制約復(fù)合層形成的主要因素，且獲得的表面合金化層由表及里大致可分為燒結(jié)區(qū)、過(guò)渡區(qū)和熔合區(qū)三個(gè)區(qū)域。Cr-Fe顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料性能表現(xiàn)為外層燒結(jié)區(qū)和過(guò)渡區(qū)的硬度高、耐磨性好；內(nèi)層熔合區(qū)綜合性能較好；而基體則呈現(xiàn)高韌性、高塑性。研究獲得的合金化層厚度可達(dá)6mm～10mm[17～18]。

2 消失模鑄造鐵基表面復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

2.1 WC/鐵基表面復(fù)合材料

研究表明，工藝等因素是復(fù)合層表面質(zhì)量的重要影響因素，澆注溫度應(yīng)比澆普通鑄件高，澆注溫度過(guò)低，金屬液不能完全熔化助劑原料，使得WC顆粒與機(jī)體呈機(jī)械結(jié)合狀態(tài)，結(jié)合強(qiáng)度太低，甚至金屬液流動(dòng)性不能完成鑄滲，合金涂層易整塊脫落[19-22]。復(fù)合材料的磨損性能比高鉻鑄鐵明顯提高，最高可以提高到8.65倍，且隨著載荷和WC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，復(fù)合材料耐磨性呈升高趨勢(shì)。復(fù)合材料的抗沖蝕性有很大程度提高，是高鉻鑄鐵的3～4倍，研究證明了增強(qiáng)顆粒的陰影作用、基體材料的支撐作用及二者之間的交互作用，是提高復(fù)合材料的抗沖蝕磨損性能的主要原因[23-28]。

2.2 SiC/鐵基表面復(fù)合材料

SiC粒子尺寸是消失模鑄滲法制備鑄鐵基表面復(fù)合材料的重要影響因素之一。當(dāng)SiC粒子尺寸為560μm時(shí)可以得到良好的復(fù)合層，且表面平整，SiC粒子分布均勻。隨著SiC粒度的減小，鑄滲效果明顯變差，當(dāng)SiC粒度減小到180μm時(shí)，已無(wú)法得到復(fù)合層[30]。另外，增強(qiáng)體粒度、澆注溫度、真空度、抽真空方向、澆注位置、金屬液靜壓頭高度及涂料也對(duì)鐵基復(fù)合材料滲層質(zhì)量有重要影響，應(yīng)選取較大的增強(qiáng)體粒度及金屬液靜壓頭高度，采用底注式澆注系統(tǒng)，并盡量使合金涂層面與抽真空方向同向或避開(kāi)抽真空方向的影響[31]。復(fù)合材料層由網(wǎng)狀碳化物，片狀石墨，珠光體和富Si的鐵素體形成的表面合金化層，極細(xì)珠光體窄帶和塊狀的珠光體和鐵素體混合組織組成的中間過(guò)渡層及心部基體層三個(gè)區(qū)域組成[32-35]。

2.3 Cr-Fe/鐵基表面復(fù)合材料

通過(guò)對(duì)合金化層顯微組織和形成新相分析，可將合金化層由外到內(nèi)依次分為燒結(jié)層、擴(kuò)散層和基體；且合金層的耐熱抗氧性能明顯高于鑄鐵基體。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)氧化增重、熱疲勞實(shí)驗(yàn)來(lái)確定具有最優(yōu)抗高溫氧化性能的合金化層。還有研究通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型鑄滲過(guò)程，鐵水陣輸進(jìn)行了理論分析給出了鑄滲量與孔道半徑的關(guān)系提出了有別于傳統(tǒng)理論的新觀點(diǎn)[36-38]。

3 消失模鑄造鋼鐵基表面復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

消失模鑄滲工藝在鑄鋼犁鏵表面合金化的應(yīng)用中，鑄滲部位與內(nèi)澆道部位的相對(duì)位置對(duì)鑄滲質(zhì)量影響較大，鑄滲部位位于澆口之上可得到較好的鑄滲犁鏵件，犁鏵鑄滲層的硬度是基體的1.7倍，耐磨性是基體的2.97倍[22]。WC增強(qiáng)鐵基耐磨表面復(fù)合材料在渣漿泵過(guò)流件受磨損面的局部復(fù)合應(yīng)用和渣漿泵過(guò)流件抗磨表面的局部復(fù)合中，基本實(shí)現(xiàn)了在各復(fù)雜異型復(fù)合部位的整體均勻性，獲得的表面復(fù)合材料的耐沖蝕磨損性能是高鉻鑄鐵的2.7倍[19，20，28]；碳化鎢顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基表面復(fù)合材料在噴射口襯板應(yīng)用中，在實(shí)際工況條件下使用該噴射口襯板，其壽命是高鉻鑄鐵的3.5倍[24]。

4 消失模鑄造鋼鐵基表面復(fù)合材料的技術(shù)關(guān)鍵

4.1 黏結(jié)劑的選擇及加入量

黏結(jié)劑是保證消失模鑄造表面復(fù)合材料成功與否的一個(gè)重要因素。黏結(jié)劑將合金涂料顆粒粘結(jié)在一起，使合金涂層具有一定的強(qiáng)度，并直接涂掛于聚苯乙烯鑄件模型表面，使得在澆注過(guò)程中合金涂層不被金屬液沖散，從而形成穩(wěn)定的毛細(xì)管和空隙，保證金屬液的滲透和良好鑄滲層的形成。研究表明：黏結(jié)劑如果選擇不當(dāng)，會(huì)使合金涂層強(qiáng)度不夠，涂掛烘干過(guò)程中合金涂層開(kāi)裂甚至潰散（如圖1），無(wú)法進(jìn)行澆注或在澆注過(guò)程中被沖散，使得復(fù)合層不均勻。

目前是用的黏結(jié)劑主要有高純黏土，聚乙烯醇，PAF改性淀粉，聚乙烯醇縮丁醛，加入量多為4%～8%（占合金粉重量的百分比）。在保證合金涂層強(qiáng)度的前提下，要嚴(yán)格控制黏結(jié)劑的加入量。加入量過(guò)少，粘結(jié)力低，強(qiáng)度差，澆注過(guò)程中易被金屬液沖散，不能形成復(fù)合層；加入量過(guò)多，金屬液不能使其完全分解，燃燒氣化，致使其殘留在復(fù)合層中形成夾渣，影響強(qiáng)化效果。

圖1 烘干后試樣

4.2 鑄件厚度與合金涂層厚度比值λ

鑄件厚度與合金涂層厚度之比λ，間接影響表面復(fù)合層質(zhì)量的熱力學(xué)條件，是制備理想的表面鑄滲復(fù)合層的關(guān)鍵技術(shù)。研究表明，λ 值較小即合金涂層較薄時(shí)，增強(qiáng)顆粒易被金屬液沖散且熔化，不易形成一定厚度的鑄滲復(fù)合層；隨著λ 值的增大，金屬液可提供更多的熱量促進(jìn)熔合，并使鑄滲層較長(zhǎng)時(shí)間保持高溫狀態(tài)，便于元素?cái)U(kuò)散，形成理想的表面鑄滲復(fù)合層；但是λ 值過(guò)大時(shí)，合金涂層不能完全被金屬液浸透和熔化，易導(dǎo)致合金層剝落和復(fù)合層疏松，且澆注時(shí)易形成裂紋。為了獲得質(zhì)量良好的表面復(fù)合材料，應(yīng)選用用λ 值大于等于10.

4.3 澆注溫度

在消失模鑄造表面復(fù)合材料過(guò)程中，澆注溫度是影響鑄滲復(fù)合質(zhì)量的又一重要因素。研究表明：消失模鑄造鋼基表面復(fù)合材料的澆注溫度多選在1550℃～1600℃，鐵基的澆注溫度則多選在1460℃～1500℃。澆注溫度低時(shí)，金屬液降溫迅速凝固也較快，導(dǎo)致金屬液的滲透能力降低，鑄滲層與基體來(lái)不及充分?jǐn)U散，使得交界處結(jié)合不致密，且滲層易剝離，難以形成復(fù)合層；隨澆注溫度的升高，鑄滲復(fù)合層的厚度增加，外表面也變得平整。這是因?yàn)?，隨著澆注溫度的增高，金屬液降溫所放出的熱量也增加，因此向合金涂層滲透的能力也增大大，同時(shí)，也有利于排除合金涂層中的氣體或夾雜物；但是，澆注溫度過(guò)高時(shí)，鑄滲層復(fù)合質(zhì)量反而下降，即鑄滲復(fù)合層變薄，而且復(fù)合層厚度也不均勻。這是因?yàn)檫^(guò)高的澆注溫度釋放出的熱量將使增強(qiáng)顆粒分解嚴(yán)重，被金屬液沖散，脫落。因此，要嚴(yán)格控制澆注溫度。

5 結(jié) 論

消失模法制備表面復(fù)合材料，是一種新型的金屬表面復(fù)合材料制備工藝，只是在原有消失模鑄造工藝的基礎(chǔ)上增加了一道特種涂料的涂覆工序，且涂料涂掛操作容易，鑄滲過(guò)程中抽負(fù)壓，可減少氣孔，并可以生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，另外，根據(jù)鑄件的工況需求，可在鑄件的整體表面或局部任意位置涂刷復(fù)合材料涂料，制備出具有特殊要求的消失模鑄件，從而大大提高了消失模鑄件的耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能，降低材料消耗，提高零件的使用壽命，對(duì)挖掘不同材料的性能潛力、節(jié)約資源、提高材料利用率、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)中可以看出國(guó)內(nèi)外在鑄造鋼鐵基表面復(fù)合材料的消失模鑄造方面有很多研究，但并未形成穩(wěn)定成熟的技術(shù)和工藝，對(duì)于合金化鑄滲層的形成機(jī)理尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，有待進(jìn)一步研究。

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