金属基复合材料实型熔铸颗粒强化技术的研究.pdf

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1、金属基复合材料实型熔铸颗粒强化技术的研究引言：本课题创造性地提出熔铸技术与实型铸造相结合的技术路线，摒弃了常规的铸渗手段[1,2,3]（涂料法，膏块法，被覆法及V型法），突破性地将高性能合金粉末或颗粒在实型铸模的表层作弥散处理，从而在实型铸造过程中实现合金迅速释放、及时熔铸扩散，具有复合材料层合金浓度均匀，复合层与基体结合牢固，厚度可控，复合层合金“处方”化，铸件表面光洁度高，无气孔，无夹杂等一系列优点[4，5]，我们把这种技术称为“实型熔铸颗粒强化新技术”，实践证明，此技术完全可以生产出双金属材料或表层呈层状梯度分布的复合材料铸件。“实型熔

2、铸颗粒强化新技术”经过了三个阶段的摸索，逐渐实现了技术上的突破，最终取得了理想的效果。这三个阶段分别是：1．将常规的涂料法、膏块法应用于实型铸造；2．将合金粉末填充于消失模表层内部孔洞，进行实型铸造；3．将合金粉末在消失模表层做弥散处理，进行实型铸造。在第一阶段，由于实型铸造内部负压，相应的涂料法、膏块法的结果均优于常规的涂料法、膏块法；但仍存在夹杂、熔不透等缺陷；第二阶段，我们放弃了涂料法、膏块法中的粘结剂、稀释剂、及成型剂、造渣剂，而直接将合金粉末置于消失模表层内部，的确消除了夹杂、熔不透等缺陷，但由于合金粉末都集中在孔洞中，出现了偏析现

3、象，表现为组织不稳定，甚至有合金粉末彻底熔化现象；最后，为了消除偏析，我们将合金粉末在消失模表层作了弥散处理，果然达到了理想效果，表现为复合材料层厚度均匀，组织稳定，无任何铸造缺陷，铸件表面光洁度高，性能优越。项目组对此技术进行了深入透彻的研究，在对技术细节充分考虑的情况下，设计了一系列试验方案，逐渐掌握了此技术的关键影响要素。1.实验材料与方法1．1消失模的制备实型铸造中的铸模称为消失模，或汽化模，主要成分为聚苯乙烯，其成型方式有两种，一种为为聚苯乙烯珠粒预发泡、熟化、发泡成型，另一种方法为聚苯乙烯性材料加工而成。要实现合金粉末或颗粒在消失

4、模表层的弥散化，必须控制颗粒的发泡大小，吹入蒸汽的同时夹入合金粉末。本课题中，消失模的制备专门委托厂家定做，要求泡沫塑料颗粒大小在R2mm左右；合金粉末在200目左右，最粗不超过100目，最细不小于400目，发现合金粉末主要弥散分布于珠粒间界面，有的合金粉末进入成熟珠粒内部。1．2材料的选用及熔铸试样设计基体材料选用最常见的铸铁材料HT200，其成分为表1；合金成分以高纯度的硼铁合金粉末为主，其化学成分为表2：为考察熔铸效果，同时考虑形状简单，熔铸试样（消失模）采用两种样式：一种为平板式，另一种为立方体。浇注位置分别设计为卧式与立式。2．实型

5、熔铸颗粒强化技术中工艺参数试验实型铸造过程是一个模型汽化、金属液快速填充并行的过程，其中产生的大量气体由于内部负压而排出砂型，因此要求浇注温度比一般铸件稍高，浇注过程中始终保持负压稳定，浇注后一段时间仍要保持一定的负压。模型汽化后合金颗粒直接释放到基体母液中，不存在“熔不上”的问题，由于浇注的母液是流动的，局部的液体波动会促使合金粉末与基体母液混合充分，加速合金粉末的熔化、扩散，这样就会形成浓度均匀、性能稳定，呈梯度分布的复合材料层。当然，如控制不当，也会造成合金成分过渡扩散，浓度降低导致复合材料层性能变差。因此要求有一定的合金浓度，一定的浓

6、度分布梯度，且厚度适宜。如基体体积过大，液体保持时间会延长，这样会导致复合材料层合金浓度大大降低，复合材料层性能也会变差，这时应采取复合材料层表面设置冷铁等激冷措施，减少扩散时间，促使复合材料的凝固形成。因此为保证复合材料层的性能，需要考虑的工艺参数有：（1）铸型的浇注位置对复合材料层的影响（2）合理的实型熔铸工艺设计（浇道的安排，尽量减少对复合材料层的冲刷及波动，保证液面平稳上升。）（3）合金层的厚度与铸件当量厚度之比（4）合金的颗粒化大小、母液浇注温度的影响（5）型砂粒度的影响（6）负压的大小及保持的时间。为此，我们设计了一系列的试验，以

7、考查这些因素对表层复合材料层的影响。实验数据见表3。2．1铸型的浇注位置对复合材料层的影响铸模尺寸：一为平板型30×80×150（mm3）；二为立方体100×100×100（mm3），合金层厚度均为10mm。平板型采用两种浇注位置：一为卧式，即平放浇注，合金层为侧部；一种为立式，合金层为侧部、顶部，浇道均为底注式。对于立方体铸型，合金层分别位于侧部和顶部。示意图见图1：从上表可以看出，复合材料层位于侧部，一般性能相对较好，但结合面由于液体波动剧烈，底部厚度较宽，显微硬度也稍有下降；位于顶部的复合材料层厚度相对较宽，结合面平整且界面明显，这可能

8、与顶部液体波动不大，但凝固速度慢有关系。两者均无铸造缺陷，光洁度较高。总之，复合材料层位于侧部、顶部均较理想。曾做过复合材料层在底部的试验，证明这种浇注位置很差，原