一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合棒材制备方法

摘要

本发明公开了一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合棒材制备方法，该方法在砂型型腔表面涂覆增碳剂，把要作为强化相的钨丝酸洗后制成螺旋形，并放置于型腔内，浇铸，等金属液凝固到室温后得到金属钢棒。再对金属棒进行表面除锈，然后在金属棒外表面涂敷支持膜，待支持膜烘干后通过区熔感应器进行表层快速区域熔化，再快速凝固，表层区域熔化加热温度控制在高于基体材料熔点的20℃～30℃范围。区域熔化后金属棒进行热处理，再经过切割、机械校直等加工方法，达到要求的尺寸，最后得到碳化钨颗粒增强钢基表层复合耐磨金属棒材。既保持了金属材料韧性、塑性优良的特点，又具有很强的耐磨性。WC复合层的厚度可达到10-15mm，硬度HRC50-56。易于大批量工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及复合棒材制备，特别是一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合金属棒材的制备方 法。

背景技术

耐磨钢棒适用于水泥厂、电厂、矿山、石英砂厂、硅砂厂、砂加气、煤化工、加气混凝 土厂等众多棒磨机、磨煤机用户厂家，市场需求量巨大。现在市场上所用钢棒乃钢厂轧钢而 成，由于耐磨性能较差，因而普遍使用寿命短，在使用时消耗量极大，造成资源大量浪费。 棒磨机、磨煤机的使用工况要求钢棒具有较高的耐磨性，同时还应兼具较高的强度和韧性。 高耐磨性要求材料的硬度要高，而硬度过高则导致材料的韧性下降。

目前市场上耐磨钢棒大部分采用钢厂经轧钢而成的普通低合金钢棒，这种低合金钢棒的 强度和韧性好，但是耐磨性较差。国内还有生产厂家开发出了一种新的高合金耐磨钢棒，钢 棒的耐磨效果比一般轧钢钢棒有了较大的提高，延长了使用寿命，因而节约了成本。但是应 该看到，这种高合金耐磨钢棒整体仍为单一材质，其耐磨性能仍显不足，而且不能做到耐磨 性与经济性能的最优化。此外，国内还有人研究了一种将一般普通钢棒作为芯棒，再在外层 包裹一层高铬铸铁的复合耐磨棒，试图使钢棒具有很高的耐磨性，同时还兼具较高的强度和 韧性。但是，外层的高铬铸铁和芯棒难以做到冶金结合，因而高铬铸铁包覆层在使用过程中 容易发生破碎和脱落。因此这种方法仍然存在一定缺陷。

复合材料可针对不同的工况人为地对材料的主要组成相(基体相和硬质相)进行设计、 控制及选用，可突破传统单一材料设计的局限性，全面提高材料在各种复杂工况条件下的使 用性能，既保持了金属材料韧性、塑性优良的特点，又能发挥高硬度增强材料耐磨性好的特 点，应用前景十分广阔。

对铸铁进行WC颗粒增强复合在国内外报道较多，主要有液态铸渗法，即采用普通铸渗工 艺分别以高铬铁粉、WC粉为反应源，以聚乙烯醇、酚醛树脂、树脂酒精溶液为粘结剂，将合 金粉末制成膏状，将灰铸铁、球墨铸铁或碳钢金属液渗透到高铬铁粉和WC粉的间隙，在热效 应作用下，烧结并反应形成碳化物。但是，这种工艺必须使用大量粘结剂，从而导致大量气 孔和夹渣。有学者为了解决陶瓷颗粒分散不均匀、陶瓷颗粒体积分数难以控制等问题，选择 一定厚度的多孔陶瓷与金属基体进行复合，但网状的多孔陶瓷对金属基体的割裂作用较为严 重、对整体复合材料的力学性能损伤很大。

发明内容

针对现在市场上产品(轧钢钢棒、合金钢棒)存在的缺陷或不足，本发明的目的在于， 提出一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合棒材制备方法，该方法生产效率高，生产的材料组织 致密，表层强化相粒子弥散分布，耐磨度高，整体强度韧性好。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现：

一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合棒材制备方法，其特征在于，按下列步骤进行：

1)进行砂型的制造，并在砂型的型腔表面涂覆一层增碳剂，再把钨丝酸洗后制成螺旋形， 并放置于砂型的型腔内；增碳剂由粘土和细石墨粉构成，并用水调成稀糊状，增碳剂中石墨 含量的确定原则为石墨∶钨丝＝1.1∶1，比例为摩尔比；

2)将融化的钢液浇注进砂型的型腔中，凝固得到金属棒；

3)将金属棒进行表面除锈，然后在其外表面涂敷一层0.8mm～1.0mm的支持膜，支持膜 由水玻璃和石英粉构成，石英粉占45wt％；

4)待支持膜烘干后放入区熔感应器进行表层区域熔化，区熔温度控制在高于金属棒熔点 的20℃～30℃范围内，并快速凝固，即得到碳化钨颗粒增强钢基表层复合棒材。

再经过切割、机械校直等加工方法，达到要求的尺寸。

本发明的方法生产效率高、生产时间短、节约能源，生产的碳化物颗粒表层强化的表面 耐磨金属棒材组织致密、碳化物增强相与基体金属界面结合强度高、第二相分布均匀、材料 的力学性能好。能够很好的解决材料的高耐磨性，同时还兼具较高的强度和韧性的矛盾。该 发明的使用范围广泛，可用于制造不同碳化物颗粒表层强化的表面耐磨金属棒材的生产。棒 材的尺寸规格完全可以按照客户的需求进行调整，灵活性大大提高，去除了不必要的浪费。

附图说明

图1是本发明的方法制备的碳化钨颗粒增强钢基表层复合棒材结构示意图；

图2是本发明的工艺流程图。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

研究表明，碳化钨(WC)颗粒由于其具有较高的比刚度、比模量、低热膨胀系数以及良 好的热稳定性、耐磨性，因此利用碳化钨(WC)作为强化相，在钢棒的表层制备出具有一定 厚度的含碳化钨(WC)颗粒增强相的复合层，通过W元素与C之间的反应，在金属基体内原 位合成高硬度、高弹性模量的硬质增强相WC，从而达到强化金属基体的目的。能够很好的解 决材料的高耐磨性，同时还兼具较高的强度和韧性的矛盾。

本发明在吸取传统碳化钨(WC)原位合成颗粒金属基复合材料制备方法的基础上，并依 据区熔理论、快速凝固理论、粒子漂浮等理论，通过强化相金属螺旋丝复合+浇铸+区熔+ 快速凝固工艺制备出碳化钨(WC)颗粒表面强化金属基复合系列棒材。

实施例1：制备碳化钨颗粒增强钢基表层复合金属棒材

本实施例利用微米级直径钨丝，通过W元素与C之间的反应，在金属基体内原位合成高 硬度、高弹性模量的硬质增强相WC，从而形成以高强度高韧性合金钢为基体，以一定体积分 数的WC颗粒为抗磨硬质相的WC颗粒/金属基复合棒材。这样既保持了金属材料韧性、塑性优 良的特点，又能发挥高硬度增强材料耐磨性好的特点，因此应用前景十分广阔。而且通过合 理选择制备工艺，可有效地控制增强颗粒WC的大小、分布、数量和复合层的厚度。

本实施例的碳化钨颗粒增强钢基表层复合金属棒材的具体生产操作过程如图1和图2所 示：

把要作为强化相的一定直径(200-300μm)的钨丝3酸洗后按照一定的规格要求制成螺 旋弹簧状，螺距和螺旋的直径依据将来要形成的WC的分布、数量和复合层的厚度而定。

利用水玻璃砂制作砂型1，成型型腔为圆柱形，待砂型1硬化后，在砂型1内表面涂覆 增碳剂2，增碳剂2由粘土和细石墨粉构成，并用水调呈稀糊状。增碳剂中石墨含量的确定 原则为石墨∶钨丝＝1.1∶1，比例为摩尔比。

待增碳剂2干燥后，将螺旋状钨丝3放置于型腔砂型1中。将熔化好的具有一定温度的 钢液浇注进砂型1的型腔中，钢水的温度控制在高于熔点30℃～50℃，等金属液凝固到室温 后得到金属钢棒4。再对金属钢棒4进行表面除锈，在外表面涂敷一层厚0.8-1.0mm水玻璃 支持膜5，并烘干，支持膜5由水玻璃和石英粉构成，配比为石英粉占45wt％，并烘干。将带 有干支持膜5的金属棒4通过区熔感应器5加热进行区域快速表层熔化，再快速凝固。控制 熔区高度为15mm～35mm，金属棒4的上下运动速度为1.5mm/s～3.2mm/s，区熔温度控制在高 于基体材料(金属棒4)熔点的20℃～30℃范围内，区熔一般为1-2次。区熔完成后，对金 属棒4进行调质处理，调质处理的工艺依据金属棒材的成分而定。最后，棒材再经过切割、 机械校直等加工方法，达到要求的尺寸，最终得到微米/亚微米WC颗粒增强表层复合金属棒 材。

当然。熔区高度和运动速度还可以依据金属棒的直径、材料、钨丝直径和复合层的厚度 进行调整。

本实施例制备的碳化钨颗粒增强钢基表层复合金属棒材具有以下优点：

1)金属棒经区域熔炼，合金棒材中WC颗粒细小，达到微米或亚微米级。WC颗粒分布均 匀，与基体界面结合良好。钢棒既保持了金属材料韧性、塑性优良的特点，又具有很强的耐 磨性。

2)加工制造的微米/亚微米WC颗粒增强表层复合金属棒材，WC复合层的厚度可达到 10-15mm，硬度HRC50-56，耐磨性比目前商用的各种单一材质高合金钢明显提高1.5-2.0以 上。

3)具有适应性强、易于大批量工业化生产等优点。用一套设备完全可生产目前多种规格 (不同直径)的WC颗粒增强表层复合金属棒材。直径18-150mm，长2-8m，尺寸规格完全可 以按照客户的需求进行调整。

4)方法灵活性高，适用性广。只需调整螺旋弹簧状W丝的螺距和增碳剂中石墨的含量， 即可对WC颗粒的分布和数量进行任意调整。通过对熔区高度和金属棒的运动速度进行调整， 即可对WC颗粒增强复合层的厚度进行适当调整。

5)可有效地控制增强颗粒WC的大小、分布、数量和复合层的厚度。