一种铸铁板的合金碳化物表面强化工艺

摘要

本发明公开了一种铸铁板的合金碳化物表面强化工艺，首先对要进行表层强化的铸铁板进行表面除锈，再把含有钨粉或钛粉的涂料涂覆在铸铁板的表面，之后再在其上涂敷一层保温涂层，并烘干，通过高频感应器对铸铁板表层进行快速熔化，在铸铁板表层形成溶液层，使铸铁中熔化层中的碳与钨或钛在溶液层中发生化学反应以及充分扩散，并原位合成碳化物颗粒。待表层凝固后除掉铸铁板表层的涂覆层。最后得到原位合成的WC或TiC颗粒表层强化的系列铸铁板。既保持了铸铁的固有特点，又改善了耐磨性。WC或TiC复合层的厚度可达到3-5mm，硬度HRC58-60。具有生产成本低、易于大批量工业化生产等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料的制备，特别是一种在铸铁板表层原位合成碳化物颗粒复合耐磨层 的强化工艺。

背景技术

磨损是工程构件的主要失效形式之一。对工程构件失效原因的分析表明，磨损失效常常 发生在零件承受工作应力最高的表面处。因此，从降低工程构件的制造成本和合理使用材料 的角度出发，应当采用价廉的韧性材料做基材，对其表面采取合理的强化措施以提高其表面 的耐磨性，从而延长零件的服役寿命。因此，表面强化技术正是在这一工业应用背景下迅速 发展起来的。

在低应力磨损条件下，使用铸铁或通过对普通铸铁表面进行表面强化处理后能较好地满 足这一使用工况。低应力磨损主要适用于抗泥沙、碎石类磨粒在低应力、小冲击条件下的磨 粒磨损或细颗粒、小能量、小角度冲蚀磨损工况。典型应用领域及设备有：压坯机螺旋、搅 拌器拌叶、压坯机模板、矿料提升机戽斗、混均取料机料斗及斗齿、矿料输送螺旋、溜槽、 滑板、烧结机高温矿料溜槽、钻地螺旋叶片、纸浆搅拌叶片、原料粉碎刀具、刮板、犁铧、 铲、割刀、饲料粉碎机刀片、松土工具等。

近几十年来，国际上在表面强化所采用的热源手段方面开展了大量的研究工作，从常规 热源到激光等特种热源的应用研究十分活跃。目前，在铸铁表面形成耐磨层的工艺主要有： 激光表面熔覆法、氙灯辐射聚焦光束法、表面钨极氩弧重熔强化法、电火花表面强化法、热 喷涂表面强化法等。

激光表面熔覆法设备复杂，使用成本高，而且能量转换效率还很低，它的单道熔宽和熔 敷量小，因而降低了生产率，提高了生产成本，而且激光表面熔覆耐磨层太薄，即硬化层的 深度不够，这在某种程度上抑制了激光表面强化技术在工业生产中的推广应用。

自60年代末德国学者首次将大功率氙灯辐射聚焦光束用于连接技术领域以来，国际上对 聚焦光束热加工技术已经非常重视。90年代初俄罗斯学者又成功地将其应用于铸铁构件的表 面强化技术领域。采用氙灯辐射聚焦光束做热源对合金铸铁进行表面熔凝处理。研究表明， 采用聚焦光束熔凝处理技术可在合金铸铁表面获得一个深度为毫米级的强化层，调节功率密 度和扫描速度可有效控制强化层深度和宽度。但是熔凝处理区的表面存在硬度很低的失碳层。

为了提高灰铸铁表面的耐磨性，可用钨极氩弧对其表面进行局部重熔强化处理。钨极氩 弧特点是电弧功率密度大，能量非常集中，瞬间可将铸铁局部加热熔化，故形成的熔池小， 其高的温度(约5000℃)和强的搅拌性，可将石墨击碎并迅速熔解。但是电弧是移动的，对熔 池作用的时间很短，移开后，对于小熔池，铸件本体即成为强大的激冷源，根据铸铁的凝固 特性，此时熔池中铁水不可能有足够长的时间和能量按稳定系转变形成石墨，而是按亚稳定 系转变形成莱氏体和渗碳体的亚共晶组织。这就是钨极氩弧局部重熔利用自身的加热特点改 变铸铁局部组织提高硬度和耐磨性的根本原因。因此，铸铁钨极氩弧重熔后激冷法是有效提 高其耐磨性，但是这种工艺处理易在表面产生裂纹。热喷涂法制备的耐磨层质量较差，易脱 落。

感应交变磁场可在工件内产生感应电动势，感应电动势导致表面层内形成封闭的涡流。 感应频率越高，则加热层的厚度越薄。适当调整感应器的输出功率和频率，再在被加热表面 增加保温层，就可瞬间在铁板表面产生熔化层。如果在熔化层中添加其它合金元素，就可在 表面形成合金强化碳化物耐磨层。因此，利用感应加热可以在铸铁板表面制备出耐磨层。但 是，目前报道的方法都是先在钢板表面涂覆上与耐磨层相同材质的基料，然后再感应加热使 其熔化而在钢板的表面形成一层新的耐磨层。

发明内容

针对现在市场上广泛应用的铸铁板形材料存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出 一种铸铁板的合金碳化物表面强化工艺，可大大提高材料的耐磨性，同时还保证了原有材料 的性能。

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：

一种铸铁板的合金碳化物表面强化工艺，其特征在于，按下列步骤进行：

1)首先对要进行表层强化的铸铁板进行表面除锈；

2)将钨粉或钛粉与丙三醇混合，并用酒精或丙酮调至稀糊状，然后将其均匀涂覆在铸铁 板表面；

3)在涂覆有细钨粉或钛粉的铸铁板上涂敷一层1.5mm～2.0mm的保温涂层，保温涂层由 硅酸铝粉末和水玻璃构成，硅酸铝粉占95wt％；

4)用高频感应设备进行快速熔化和快速凝固，频感应设备的工作频率为200～300kHz。 高频感应线圈保持水冷，高频感应设备的区熔温度控制在高于铸铁板熔点的20℃～30范围 内，区熔2-3次，即得到合金碳化物表面强化的铸铁板。

采用本发明生产的碳化物颗粒表层强化的表面耐磨铸铁板，其组织致密，由于是原位合 成的碳化物，故碳化物增强相与基体金属界面结合强度高且分布均匀。能够很好的解决材料 的高耐磨性，同时还保留了原有基材的各种性能。生产成本低且效率高、节约能源，易于大 批量工业化生产。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

研究表明，碳化钨(WC)或碳化钛(TIC)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，因此利用碳化钨或碳化钛作为强化相，在铸铁板 的表层制备出具有一定厚度的含碳化钨或碳化钛颗粒增强相的复合层，如果能通过W或TI 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或TIC， 从而达到强化金属基体的目的。这样就能够极大地改善铸铁材料的耐磨性。

本发明在吸取传统碳化钨或碳化钛原位合成颗粒金属基复合材料制备方法的基础上，并 依据表层感应区熔理论、快速凝固理论、原位合成理论、粒子漂浮等理论，

首先把含有金属钨粉或硅粉的涂料涂覆在铸铁的表面，再在其上覆盖一层保温层，并通 过高频感应器对铸铁的表层进行快速熔化，在钢板表层形成溶液层，使碳与钨粉或硅粉在溶 液层中发生化学反应以及充分扩散，并原位合成碳化物或碳化钛颗粒，最后得到原位合成的 碳化钨或碳化钛颗粒表层强化的系列铸铁板材。由于铸铁中的碳含量较高，因此可以利用铸 铁基体中的碳与钨或硅发生反应，而无需象钢基材料需要先进行增碳处理

灰铸铁、球铁材料具有成本低的优势。可以完全低应力工况条件下的使用。

本发明通过在铸铁板型材表层制备出一种碳化钨或碳化钛颗粒表层强化层，大大提高材 料的耐磨性，同时还保持原有铸铁板的性能。

实施例1：制备铸铁基碳化钨颗粒表层强化板

目前市场上在铸铁表面形成耐磨层的工艺主要有：激光表面熔覆法、氙灯辐射聚焦光束 法、表面钨极氩弧重熔强化法、电火花表面强化法、热喷涂表面强化法等。每种方法都有其 局限性。如果能在铸铁材料的表面上形成一种碳化钨(WC)或碳化钛(TIC)颗粒表层强化层， 大大提高材料的耐磨性，同时还保证了原有材料的性能。

本发明通过W或Ti元素与C之间的反应，在铸铁表层内原位合成高硬度、高弹性模量 的硬质增强相WC或TIC，以一定体积分数的WC或TIC颗粒为抗磨硬质相的WC或TIC颗粒/ 金属基复合材料。这样既保持了铸铁的原有性能，还保持了铸铁成本低的优点，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。

制备铸铁基碳化钨颗粒表层强化板型材的具体生产过程如图1所示：

先对要进行表层强化的铸铁板进行表面除锈(酸洗或机械打磨)，然后在铸铁板的表面， 再把细金属钨粉涂覆在铸铁板的表面，之后再在其上涂敷一层保温涂层，通过高频感应器对 钢板表层进行快速熔化和快速凝固。涂覆钨粉的方法是，将细钨粉与丙三醇混合，并用酒精 或丙酮调至稀糊状，然后将其涂覆在铸铁板表面。钨粉的粒径为800-1000目(18-13μm)。

用高频感应设备进行快速熔化和快速凝固，高频感应表层区熔温度控制在高于铸铁板熔 点的20℃～30℃范围内。高频感应设备的工作频率为200～300kHz，高频感应线圈保持水冷， 区熔为2-3次。区熔完成后，铸铁板再经过切割、机械校直等加工方法，达到要求的尺寸， 最终得到碳化钨颗粒表层强化的铸铁板材。

保温涂层的厚度一般控制在1.5-2.0mm为好。保温涂层由硅酸铝保温材料粉末和水玻璃 构成，硅酸铝粉占95wt％，配制保温涂层所用的硅酸铝保温材料粉末的粒度为500-800目。

实施例2：制备铸铁基碳化钛颗粒表层强化板

本实施例与实施例1所不同的是将钨粉用钛粉替换，其他工艺步骤与实施例1完全相同。 具体生产操作过程如下：

先对要进行表层强化的铸铁板进行表面除锈(酸洗或机械打磨)，然后在铸铁板的表面， 再把钛粉涂覆在铸铁板的表面，之后再在其上涂敷一层保温涂层，通过高频感应器对钢板表 层进行快速熔化和快速凝固。涂覆钛粉的方法是，将钛粉与丙三醇混合，并用酒精或丙酮调 至稀糊状，然后将其涂覆在铸铁板表面。金属钛粉的粒径为500～800目(23μm～18μm)。

用高频感应设备进行快速熔化和快速凝固，高频感应表层区熔温度控制在高于铸铁板熔 点的20℃～30℃范围内。高频感应设备的工作频率为200～300kHz，高频感应线圈保持水冷， 区熔一般为2-3次。区熔完成后，铸铁板再经过切割、机械校直等加工方法，达到要求的尺 寸，最终得到碳化钛颗粒表层强化的铸铁板材。

保温涂层的厚度一般控制在1.5-2.0mm为好。保温涂层由硅酸铝保温材料粉末和水玻璃 构成，硅酸铝粉占95wt％，配制保温涂层所用的硅酸铝保温材料粉末的粒度为500-800目。