鑄造燒結法

鑄造燒結法(cast sintering technology,CST) 綜合了鑄造工藝、粉末冶金、高溫自蔓延的特徵,主要用於製備金屬基複合材料。它在傳統的鑄造工藝基礎上,在鑄件表面層複合層複合材料壓壞,複合材料壓坯在高溫金屬液的作用下,發生高溫化學反應,原位生成大量的陶瓷顆粒,TiC、VC 等。原位反應的發生,使得複合材料層具有極優越的性能,從而延長金屬材料的使用壽命。

製備出強度高、耐磨性好的表面耐磨材料是近年來人們關注的熱點。人們一度採用熱噴塗法來製備表面複合材料,利用這種方法將增強相陶瓷粒子預先塗在鎳和銅上,再將其熱噴塗在基體表面。利用這種方法製備的耐磨材料成本高,而且基體與表面之間的結合強度低,嚴重限制了這種工藝的大規模套用。CST技術利用鑄造過程中高溫鋼水或鐵水的熱量,使貼上在鑄型壁上的壓坯燒結緻密化並發生高溫化學反應,從而在鑄件表面生成表面平整、厚度穩定的表面複合材料層。王一三教授等在20 世紀90 年代末提出了鑄造燒結的概念,並在製備複合材料方面進行了大量卓有成效的工作。鑄造燒結法綜合了粉末冶金法和鑄造法的優點,同時克服了它們各自的缺點,是製備鐵基表合金粉料壓坯面複合材料的一種比較理想的方法,為鋼鐵材料的表面延壽工程開闢了新的途徑。該項技術可用於製造要求表面耐熱耐磨、而芯部強韌的部件,如高速軋鋼機的托輪、進料嘴、導位板及各種熱加工模具,發動機的曲軸和凸輪軸等。CST 法既保留了傳統鑄造工藝的優點,又表現出高溫自蔓延、粉末冶金等工藝的特徵。

首先根據要求配製合金粉料,然後在壓機上將粉料壓製成具有較高密度的壓坯,再將壓坯放置在製備好的鑄型內,最後將金屬液澆入鑄型中。當金屬凝固後,複合材料壓坯完成繞結和緻密化過程,並與鑄件母體發生冶金結合而成為一體。根據工件的結構特點採用此方法,可以製備表面複合層厚度為3~10mm的工件。在整個成形過程中,伴隨著以下幾個過程的進行與完成。

1.複合材料壓坯在高溫金屬液的作用下,發生高溫化學反應,原位生成大量的陶瓷顆粒。如TC、VC等,原位反應使複合材料層具有極優越的性能,如,極高的耐磨性耐使性、南高溫氧化性等。複合材料壓壞在高溫金屬液激發下完成原位化學反應的過程,其本質表現出燃燒合成的特徵。在這樣一個過程中,包括了對複合層的點火、燃燒波的傳遞等現象。這就是CST法的自蔓延特徵。

2.複合材料壓坯在高溫金屬液的作用下,發生燒結和緻密化過程,使複合材料層具有滿足基體性能所要求的結構特徵。這一燒結和緻密化過程與粉末冶金材料製備時的燒結和緻密化過程很相似。這是CST 法的粉末冶金特徵。

3.複合材料壓坯在高溫金屬液的作用下,發生與鑄件母體之間的冶金結合,使得複合材料層在鑄件凝固完成以後,與鑄件成為有機的整體。這樣的冶金結合,使得複合材料層在承受巨大的交變載荷條件下,以及在高的熱衝擊下,不會發生與母體的剝落情況。同時,鑄件主體的成形以液態成形的方式一次性完成,這使得CST法表現出鮮明的鑄造特徵。

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