铸渗法制备颗粒增强铁基表层复合材料

实验报告要求
1. 简述铸渗工艺的原理及普通铸渗、负压铸渗的实验过程； 2. 的特点； 3. 用铸渗通过组织观察分析铸渗法制备复材合料的组织特点，
并描绘出不同陶瓷颗粒与金属基界面法制备的复合材料不 同的陶瓷颗粒与不同的金属基体结合有那些特点。 4. 实验报告不要打印！
所画试样：颗粒大小不同 ： WC大小颗粒 增强颗粒不同：Al2O3,WC 从以上三个方面浇铸温度不同：高铬铸铁，球墨铸铁，灰口铸
增强颗粒均为WC颗粒，基体不同，浇铸温度也不同
合 金 钢 基 体
高 锰 钢 基 体
增强颗粒均为WC颗粒，基体不同，浇铸温度也不同
高铬铸铁
球墨铸铁
灰铸铁
增强相对铸渗效果的影响
ZTA Al2O3
颗粒 不同
百度文库WC
系统
条件T/℃
Al2O3-Fe 1550
Al2O3-Ni 1500
WC-Fe 1490
WC-Ni 1380
高铬铸铁基复合材料
表面复合材料
高铬铸铁
采用表面复合材料制备的破碎机部件
具有“蜂巢”状结构的立式水泥磨磨辊
➢ 1.实验前认真阅读铸铁专业知识，了解铸渗工艺大致包括哪 些，有何差异；
➢ 2.了解复合材料的制备工艺及试验方法； a、材料选择：基体材料选用高铬铸铁、球墨铸铁、灰口铸铁，
增强相选择Al2O3，WC； b、铸型条件：水玻璃石英砂干型。浇注温度为分别为1450 ℃ 、
1380 ℃ 、1350℃； c、工艺过程：称取一定量的Al2O3、WC颗粒，加入占颗粒重量
1～3％的自制复合剂和适量的水，混合均匀，辅助在铸型的 特定位置，随铸型一起烘干即可浇注；
d、坯试样的设计：要求具有一定的热容量，便于液态金属渗 入Al2O3、WC颗粒缝隙形成复合材料试样，同时，毛坯试样 的形状要简单，便于造型的后续加工。
就本实验课制备的铁基表层复合 材料而言，是将作为增强相的陶瓷颗 粒预先固定在铸件型腔特定位置，然 后注入金属液，金属液浸润陶瓷颗粒 并渗透到其中的间隙，并有一定程度 的交互作用，最终在铸件表面形成具 有一定厚度的复合材料。
基体－满足力学性能要 求
铸渗法制备局部复合材料
通过铸渗技术制备表 面复合材料示意 图
需要增加额外设备，铸渗驱动力增 加，同时粘砂现象严重，清理困难
普通铸渗 负压铸渗
磨料运动方向
耐磨机理
三体磨损复合材 料磨损面直切面
形貌
磨料运动方向
三体磨损复合材料 磨损面形貌
The moving direction of hot steel
表面复合材料的微 观组织
硬质相颗粒 基体
在轧钢用导位板的局部表面制备具有硬质相 颗粒的表面复合材料提高局部表面的耐磨性
基体与增强相之间相互作用的情况
➢ 2.界面为犬牙交错 的溶解扩散界面， 基体与增强相之间 不发生化学反应但 相互溶解，如： WC。
➢ 3.基体与增强相间 发生化学反应且在 界面上生成化合物。
WC颗粒＋碳化物＋珠光体 腐蚀剂：（三氯化铁5g＋盐酸50ml＋水100ml）
Al2O3和WC颗粒之间的界面不同。 Al2O3不互相溶解， WC在界面有溶解和扩散现象：改变了
高锰钢基复合材料
WC颗粒 高锰钢基体
以硬质 WC 颗粒作为抗磨增 强相，采用铸造的方法在部 件工作表面制备复合材料， 以提高材料的耐磨性。而部 件的心部仍保持为传统的高 锰钢，从而不影响高锰钢本 身良好的韧性，最终达到部 件的耐磨性与韧性的共同提 升。
1mm
表层复合材料
(约10mm)
20mm
高锰钢 基体
铁 对复合材料进行对比，分析增强颗粒与金属基体结合的特点。
液态金属
普通铸渗工艺 压力铸渗工艺 离心铸渗工艺 负压铸渗工艺
铸渗法
普通铸渗的影响因素
➢增强颗粒与凝固界面的相互作用。 ➢基体材质、浇注温度、浇注速度对铸渗的
影响。 ➢浇注系统的设置对铸渗的影响。 ➢铸件大小对铸渗的影响。 ➢增强颗粒对铸渗的影响。
基体与增强相之间相互作用的情况
1.平整界面：基体与增强相之间 不相互作用，也互不溶解，界面 两侧都机械铆合，仅靠范德华力 物理结合，这是弱的结合方式。 如： Al2O3的界面，ZTA界面。
润湿角 141 128 0 0
增强相对铸渗效果的影响
粒度不同
增强相材料的粒度，粒度的大小影 响着铸渗过程中液态金属的流动性， 微区基体组织的合金化成份，最终 影响着复合材料的综合性能。
负压铸渗
实型铸渗法：预先用聚苯乙烯泡沫制备出铸件模型，然后 在所需部位涂上铸渗用的粉末,再将模型埋入真空沙箱内浇 注，泡沫模型燃烧成为气体，同时金属液，在负压吸引下渗 入粉末涂层，能最后形成铸渗复合层。 空腔负压铸渗：将铸件模型埋入真空沙箱，并在其上覆盖 一层塑料薄膜，然后再抽真空。
铸造及耐磨材料研究所
铸渗法制备颗粒增强铁基 表层复合材料
实验六 材料成形与制备
实验目的
• 了解铸渗法制备颗粒增强铁基表层复合材料 的工艺过程。
• 观察和分析颗粒增强铁基表层复合材料的组 织特点。
• 分析陶瓷颗粒与金属的润湿性对复合材料组 织性能的影响规律。
铸渗法制备局部复合材料
局部复合材料是实现部件多性能化的重要途径！ 抗磨层
WC颗粒与基体的结合性质，而且由于W、Fe元素的相互扩散 渗透， WC与基体界面成为一个微观区域，形成了冶金结合。
基体材质、浇注温度、浇注速度对铸渗的影响
➢ 1.熔点： 熔点低，在铸渗过程中易于保持液相流动状态，持 续液相铸渗过程。
➢ 2.液态金属的流动性： 流动性好，则液态金属充填颗粒间隙的阻力小，有 利于形成复合层。而浇注温度较高，加速液相金属 的铸渗，充填颗粒的间隙变化，有利于形成复合层。 温度过高的负面影响：晶粒过大， WC颗粒过度溶 解，基体中W的含量增加，降低材料的机械性能。