消失模铸造钢铁基表面复合材料的研究现状

于淑苗，谭建波

（河北科技大学材料科学与工程学院，河北 石家庄 050018）

消失模铸造（LostFoamCasting，简称LFC）技术是用泡沫塑料做成和零件结构完全相同，尺寸相似的实型模样，模样表面涂上耐火涂料，烘干后经干砂造型，振动紧实，然后在真空负压下浇入液体金属，使模样受热气化，从而使液体金属代替泡沫摸样原来的位置，凝固冷却后得到铸件的方法。消失模铸造是目前最有发展前途的铸造方法之一，被誉为21世纪的绿色生产方法。

消失模铸造表面复合材料是将配制好的合金涂料或膏块粘附在用可发性聚苯乙烯制成的铸件模型上，涂刷耐火材料并烘干后，用干砂振动造型。当金属液充型时，泡沫模样和合金化涂料层中的有机黏结剂等遇高温分解气化，产生的气体在负压抽力的作用下从涂层空隙中溢出；高温金属液在毛细管力、负压吸力、铁液静压头等的作用下，向合金粉末空隙渗入。合金粉末颗粒熔融、分解和扩散，最终与母液结合形成表面具有特殊性能的铸件。该工艺简便实用，铸件设计的灵活性大、铸件表面平整，可以避免铸渗工艺中的气孔和夹渣等缺陷，负压对泡沫塑料和黏结剂气化产物的排出十分有效，显著改善了铸渗层的质量，较其他铸渗方法生产成本低，合金层厚度大，具有广阔的发展前景。

1 消失模铸造钢基表面复合材料研究现状

颗粒增强钢基耐磨表面复合材料，因具备独特的性能优势而被重视。通过铸渗法制备颗粒增强钢基耐磨表面复合材料的工件，是实现其工业化应用的重要途径。在颗粒增强钢基表面复合材料的研究中，采用较多的增强颗粒有SiC、WC、Ni-WC、Cr-Fe等。

1.1 SiC 颗粒增强钢基表面复合材料

研究表明，SiC粒度、添加剂以及工艺参数对铸渗层深度和熔合质量有重要的影响，其中，SiC粒度粒度过大或过小都不能形成理想的复合层，当SiC粒径为600μm～850μm时可以制备存在明显的复合层、过渡区和基体区的表面复合材料，其复合层中含有高耐磨性的SiC颗粒，且表面平整，分布均匀，界面结合状况良好[1～3]；黏结剂的种类和加入量对复合层的形成也有重要作用，其中黏结剂种类选择不合适将直接导致合金涂层在烘干过程中开裂和溃散，无法形成理想的复合层；浇注温度是能否得到良好的复合层的又一关键因素，过低的浇注温度无法使金属液完全浸渗合金涂层，而过高的浇注温度又造成增强颗粒分解和冲散，还会造成合金元素的过度烧损。研究过程中通过组织观察分析发现，碳化硅颗粒弥散在复合层中，粒形基本保持完整，分布均匀，与基体构成冶金结合，复合材料性能大大优于基体，冲蚀磨损率随冲蚀角的增大而迅速增大，当冲蚀角达到60°时，冲蚀磨损率达到最大值，随后其冲蚀磨损率稍有降低[4～8]。

1.2 WC 颗粒增强钢基表面复合材料

WC颗粒增强钢基复合材料强度高，表面复合层硬度高，是性能优良的耐磨材料[9～12]。研究表明，以不同体积分数的WC颗粒所制成的复合材料，表面均较平整，碳化钨颗粒和基体的原始成分都有所改变：WC颗粒均匀分布于复合层中，形成WC和W2C的共晶组织，基体则主要由Fe7C3、Cr7C3、（Cr、Fe）7C3及Fe6W6C组成。过渡层过渡平缓，铸件表面平整光洁，尺寸精度大为提高。且合金层厚度均匀，可达5 mm～10mm，与基体之间结合良好。硬度和耐磨性都不同程度提高，其中硬度可达60HRC以上，耐磨性可达20%Cr高铬铸铁的2.8～3.30倍[13-16]。

1.3 Ni-WC 颗粒增强钢基表面复合材料

Ni-WC颗粒与钢基材料具有优异的润湿性。研究表明，以高锰钢为基体的复合材料在组织观察中由表及里明显分为表面合金层和基体两个区域，中间过渡层不明显。在表面合金层中，Ni-WC颗粒全部熔解，其组织是由大量的条块状碳化物，少量细小的类鱼骨状的富钨碳化物和奥氏体组成，基体组织则呈现为单一奥氏体。在靠近表面合金层的基体区域中还可以观察到晶粒内部和晶界上都有碳化物析出。而以45钢为基体的复合材料在组织观察中可以看到是由表面复合层、过渡层和基体层3个区域组成，其表面复合层组织由粗大条块状的M3C与M7C3的混合物、细小条状的WC与W2C的混合物以及树枝晶体组成；中间过渡层由珠光体窄带亚层、块状珠光体和铁素体混合亚层组成；基体区由块状珠光体和铁素体组成[13，14]，且实验得到的复合层厚度都在5mm以上。

1.4 Cr-Fe 颗粒增强钢基表面复合材料

Cr-Fe颗粒增强钢基表面复合材料研究中，多采用L9（34）正交试验确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、合金涂层厚度等因素是制约复合层形成的主要因素，且获得的表面合金化层由表及里大致可分为烧结区、过渡区和熔合区三个区域。Cr-Fe颗粒增强钢基表面复合材料性能表现为外层烧结区和过渡区的硬度高、耐磨性好；内层熔合区综合性能较好；而基体则呈现高韧性、高塑性。研究获得的合金化层厚度可达6mm～10mm[17～18]。

2 消失模铸造铁基表面复合材料研究现状

2.1 WC/铁基表面复合材料

研究表明，工艺等因素是复合层表面质量的重要影响因素，浇注温度应比浇普通铸件高，浇注温度过低，金属液不能完全熔化助剂原料，使得WC颗粒与机体呈机械结合状态，结合强度太低，甚至金属液流动性不能完成铸渗，合金涂层易整块脱落[19-22]。复合材料的磨损性能比高铬铸铁明显提高，最高可以提高到8.65倍，且随着载荷和WC颗粒体积分数的增大，复合材料耐磨性呈升高趋势。复合材料的抗冲蚀性有很大程度提高，是高铬铸铁的3～4倍，研究证明了增强颗粒的阴影作用、基体材料的支撑作用及二者之间的交互作用，是提高复合材料的抗冲蚀磨损性能的主要原因[23-28]。

2.2 SiC/铁基表面复合材料

SiC粒子尺寸是消失模铸渗法制备铸铁基表面复合材料的重要影响因素之一。当SiC粒子尺寸为560μm时可以得到良好的复合层，且表面平整，SiC粒子分布均匀。随着SiC粒度的减小，铸渗效果明显变差，当SiC粒度减小到180μm时，已无法得到复合层[30]。另外，增强体粒度、浇注温度、真空度、抽真空方向、浇注位置、金属液静压头高度及涂料也对铁基复合材料渗层质量有重要影响，应选取较大的增强体粒度及金属液静压头高度，采用底注式浇注系统，并尽量使合金涂层面与抽真空方向同向或避开抽真空方向的影响[31]。复合材料层由网状碳化物，片状石墨，珠光体和富Si的铁素体形成的表面合金化层，极细珠光体窄带和块状的珠光体和铁素体混合组织组成的中间过渡层及心部基体层三个区域组成[32-35]。

2.3 Cr-Fe/铁基表面复合材料

通过对合金化层显微组织和形成新相分析，可将合金化层由外到内依次分为烧结层、扩散层和基体；且合金层的耐热抗氧性能明显高于铸铁基体。结果表明，经过氧化增重、热疲劳实验来确定具有最优抗高温氧化性能的合金化层。还有研究通过建立数学模型铸渗过程，铁水阵输进行了理论分析给出了铸渗量与孔道半径的关系提出了有别于传统理论的新观点[36-38]。

3 消失模铸造钢铁基表面复合材料的应用现状

消失模铸渗工艺在铸钢犁铧表面合金化的应用中，铸渗部位与内浇道部位的相对位置对铸渗质量影响较大，铸渗部位位于浇口之上可得到较好的铸渗犁铧件，犁铧铸渗层的硬度是基体的1.7倍，耐磨性是基体的2.97倍[22]。WC增强铁基耐磨表面复合材料在渣浆泵过流件受磨损面的局部复合应用和渣浆泵过流件抗磨表面的局部复合中，基本实现了在各复杂异型复合部位的整体均匀性，获得的表面复合材料的耐冲蚀磨损性能是高铬铸铁的2.7倍[19，20，28]；碳化钨颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料在喷射口衬板应用中，在实际工况条件下使用该喷射口衬板，其寿命是高铬铸铁的3.5倍[24]。

4 消失模铸造钢铁基表面复合材料的技术关键

4.1 黏结剂的选择及加入量

黏结剂是保证消失模铸造表面复合材料成功与否的一个重要因素。黏结剂将合金涂料颗粒粘结在一起，使合金涂层具有一定的强度，并直接涂挂于聚苯乙烯铸件模型表面，使得在浇注过程中合金涂层不被金属液冲散，从而形成稳定的毛细管和空隙，保证金属液的渗透和良好铸渗层的形成。研究表明：黏结剂如果选择不当，会使合金涂层强度不够，涂挂烘干过程中合金涂层开裂甚至溃散（如图1），无法进行浇注或在浇注过程中被冲散，使得复合层不均匀。

目前是用的黏结剂主要有高纯黏土，聚乙烯醇，PAF改性淀粉，聚乙烯醇缩丁醛，加入量多为4%～8%（占合金粉重量的百分比）。在保证合金涂层强度的前提下，要严格控制黏结剂的加入量。加入量过少，粘结力低，强度差，浇注过程中易被金属液冲散，不能形成复合层；加入量过多，金属液不能使其完全分解，燃烧气化，致使其残留在复合层中形成夹渣，影响强化效果。

图1 烘干后试样

4.2 铸件厚度与合金涂层厚度比值λ

铸件厚度与合金涂层厚度之比λ，间接影响表面复合层质量的热力学条件，是制备理想的表面铸渗复合层的关键技术。研究表明，λ 值较小即合金涂层较薄时，增强颗粒易被金属液冲散且熔化，不易形成一定厚度的铸渗复合层；随着λ 值的增大，金属液可提供更多的热量促进熔合，并使铸渗层较长时间保持高温状态，便于元素扩散，形成理想的表面铸渗复合层；但是λ 值过大时，合金涂层不能完全被金属液浸透和熔化，易导致合金层剥落和复合层疏松，且浇注时易形成裂纹。为了获得质量良好的表面复合材料，应选用用λ 值大于等于10.

4.3 浇注温度

在消失模铸造表面复合材料过程中，浇注温度是影响铸渗复合质量的又一重要因素。研究表明：消失模铸造钢基表面复合材料的浇注温度多选在1550℃～1600℃，铁基的浇注温度则多选在1460℃～1500℃。浇注温度低时，金属液降温迅速凝固也较快，导致金属液的渗透能力降低，铸渗层与基体来不及充分扩散，使得交界处结合不致密，且渗层易剥离，难以形成复合层；随浇注温度的升高，铸渗复合层的厚度增加，外表面也变得平整。这是因为，随着浇注温度的增高，金属液降温所放出的热量也增加，因此向合金涂层渗透的能力也增大大，同时，也有利于排除合金涂层中的气体或夹杂物；但是，浇注温度过高时，铸渗层复合质量反而下降，即铸渗复合层变薄，而且复合层厚度也不均匀。这是因为过高的浇注温度释放出的热量将使增强颗粒分解严重，被金属液冲散，脱落。因此，要严格控制浇注温度。

5 结 论

消失模法制备表面复合材料，是一种新型的金属表面复合材料制备工艺，只是在原有消失模铸造工艺的基础上增加了一道特种涂料的涂覆工序，且涂料涂挂操作容易，铸渗过程中抽负压，可减少气孔，并可以生产复杂结构件，另外，根据铸件的工况需求，可在铸件的整体表面或局部任意位置涂刷复合材料涂料，制备出具有特殊要求的消失模铸件，从而大大提高了消失模铸件的耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能，降低材料消耗，提高零件的使用寿命，对挖掘不同材料的性能潜力、节约资源、提高材料利用率、建设资源节约型社会具有重要的现实意义。

文献中可以看出国内外在铸造钢铁基表面复合材料的消失模铸造方面有很多研究，但并未形成稳定成熟的技术和工艺，对于合金化铸渗层的形成机理尚无统一认识，有待进一步研究。

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