1緒論
1.1引言
    隨著現代工業的發展，對機械產品等各種零部件表面的性能要求越來越高，要求能在高速、高溫、高壓、重載、嚴重摩擦及腐蝕介質等苛刻的工況下可靠而持續地工作。其中，金屬磨損是造成機械零件失效的主要原因之一。統計表明：在失效的機械零件中，大約有75～80%是屬于金屬磨損供給機器的能量大約有30%—45%消耗于摩擦和磨損過程中，為改變現狀，這就對制造技術提出了挑戰，同時也推動了表面材料的發展。表面技術的高速發展使工件的性能提高、降低成本。由于資源的有限，提高機器、儀表、裝置等零部件的可靠性和耐磨性，提高其質量和工作效率，節約金屬材料和能源，降低生產成本等問題，已成為迫切需要解決的問題。這些問題的解決首先與零部件表面的強化有關。其中，金屬基復合材料就成了國內外眾多學者研究的熱門課題之一，金屬基復合材料(MMC)的大規模研制和開發工作起步于20世紀80年代，主要是對低熔點金屬鋁、鎂等的復合增韌。通過使用低密度陶瓷基增韌材料，加工合成的鋁基或鎂基復合材料的韌性得到了極大的提高。以這些材料制成的結構件代替原來的金屬材料構件，構件質量得到了顯著減少，這一成果在航空、航天領域具有十分重大的意義。在礦山等行業中，金屬基復合材料也得到了應用，例如：耐火制品成型模具、球磨機的襯板、破碎機的錘頭等。零部件的表層性能在機器和儀表裝置的耐用方面所起的作用特別大，因為絕大部分是由于表面性能不佳，引起零部件的早期失效，如磨損和腐蝕。又由于大多數工業部門的發展都涉及到提高載荷、溫度和介質的浸蝕性，如何提高工件的表面質量和性能就成為提高工件的可靠性和耐用性的主要研究課題之一。根據不同的表面強化的機理，可以將金屬表面強化技術可分為兩類：
(1)在表面上鍍覆具有所需性能的新材料，
(2)改變金屬表層的成分，以保證預期的性能變化。
    其中熔鑄滲是屬于第二類方法，但又與之不同，該技術是鑄造技術和冶金強化技術的統一結合，是利用鑄造凝固余熱將待滲元素熔化、分解、擴散。從而在鑄件表面形成特殊性能層，實用于不經過加工和熱處理的鑄件，起到表面強化作用。該技術的應用很好地解決了破碎機錘頭的失效問題：錘頭在和礦石碰撞時會很快地磨損，用普通的鋼材做錘頭不能滿足工況要求，表面需要一層耐磨的特殊材料，比如11VC或高鉻鑄鐵，而破碎機錘柄部分在錘頭端部與物料相撞擊時承受很大的彎曲應力，因此，錘柄部分應具有較高的強度和韌性。鑄鋼具有良好的塑韌性和強度，通過鑄造方法制造雙金屬復合材料既滿足了錘頭端部工作面硬度和抗磨性的要求，又滿足了錘柄的強度要求，這種復合錘頭不但使用壽命大幗地提高，較全部采用高錳鋼制造的錘頭生產成本也明顯下降。
    獲得雙金屬耐磨材料的常用鑄造方法有雙液雙金屬法和液一固復合鑄造工藝。所謂雙液雙金屬法鑄造工藝是指在一定的澆注溫度下將兩種液態金屬先后澆注到同一鑄型中去，待冷卻凝固后獲得同時具有兩種材質特性的雙金屬復合鑄件的鑄造工藝。華北電力學院的安江英對高鉻白口鐵—碳鋼鑄造雙金屬鑄件的結合機理以及對雙金屬材料的結合層的顯微組織和性能進行了詳細的研究，為雙液雙金屬工藝的發展提供了可靠的理論依據。
    其中，鑄滲法的主要優點有：
    1、可根據零件的使用要求涂敷不同形狀、不同厚度、不同材質的待合金化金屬；
    2、可在零件的一個或多個部位生成合金層，鑄滲件表面質量較易控制；
  3、工藝過程簡單，成本較低，不需增添新設備，在一般的鑄造條件下便能生產；
    4、表面復合材料的采用，既照顧了磨損部位的抗磨要求，又兼顧了整體材料抗沖擊的要求，還降低了制造成本，提高了材料利用率；
    5、對于較大型的零件，采用鑄滲方法進行表面強化方便可行。
    我國用鑄造法制造耐磨件方面的研究和應用已取得一定的成績，鑄滲工藝制造的錘頭、導衛、鏟齒、鄂板、風扇磨沖擊扳已獲得成功，并用于生產。其耐磨性得到成倍地提高，取得較好的經濟效益。目前各國對鑄造表面合金化技術的研究多著重于工藝，雖然取得了很大進展，但關于合金化機制問題卻缺乏較深入的探索。因此，為了進一步提高鑄滲產品的質量，擴大其工程應用，對鑄滲工藝理論與截面理論還需要進一步作深層次的研究，如鑄滲層形成過程中的熱力學、動力學原理和鑄滲層凝固的控制等．同時還要注意鑄滲表面復合材料凝固過程的研究以及在工程上的應用研究等。
1.2表面合金化技術的研究現狀和發展概況
    目前，用鑄造方法制造雙金屬復合材料已成為一種提高材料性能及實現材料各方面性能良好配合的主要途徑之一，并得到日益廣泛的研究和應用。使用雙金屬復合材料的推動力是由于它們可以降低成本、改善材料性能以及合理地使用材料的優點。
    由于界面問題對雙金屬復合鑄造制備復合材料影響很大，所以雙金屬復合鑄造工藝成敗關鍵在于兩種金屬的界面融合優劣和結合強度的高低。
    液一固復合鑄造工藝通常包括鑄滲法和鑲鑄法。鑄滲法是將合金粉末或陶瓷顆粒等增強相預先固定在型壁的特定位置上，通過一次性澆注成型的方法使鑄件表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫等特殊性能的一種材料表面處理技術鑲鑄法主要是在型腔某部位預先放入具有良好耐磨性的預制塊，如高鉻白口鐵、硬質合金等，然后向型腔內澆注具有良好韌性的母液，如普通碳素鋼、低合金鋼等，通過母液強烈的熱作用，使鑲塊與母液接觸的界面上在一定的時間內處于熔化或溶解狀態并發生元素的相互擴散及冶金反應，冷凝后，鑲塊與母材牢固的熔焊為一體。
    20世紀80年代，清華大學易又南[12]等人對鑄滲進行了研究，他們以高鉻白口鐵為基，鑲鑄不同數量的wc顆粒作為鑄滲材料，對風扇耐磨沖擊板進行了實驗。結果表明，復合材料的耐磨性比原材料材質的沖擊板ZG50Mn2的耐磨性提高28%。wc表面鑄滲的耐磨性比高鉻白口鐵表面鑄滲層的耐磨性提高了7倍。祁小群等人采用負壓鑄滲法成功制備出wc顆粒增強高鉻鑄鐵基表面復合材料噴射口襯板，所得復合層厚度可達8mm～10mm，而且在三體磨料磨損條件下，復合材料表現出優異的耐磨性能，耐磨性是鑄態Cr20的5.1倍，在實際工況條件下使用該噴射口襯板，其壽命是高鉻鑄鐵的3.5倍。張曉玲等也成功地用無壓滲透法制各了灰鑄鐵基表面復合材料，復合層達8mm。
    鑄滲是一種制備金屬基表面復合材料的新技術，它源于涂敷鑄造工藝。1913年由美國人Davis創立，美國、德國、和日本等國在這方面的研究比較前沿。鑄滲法制各鋼基表面耐磨復合材料就是將合金粉末或陶瓷顆粒(如Sioz)等預先固定在型壁的特殊位置上，通過一次性澆注鋼液的方法使鑄件表面形成符合層，該復合層具有耐磨、耐蝕、耐高溫等特殊性能。一般來說，這種制各工藝包括普通鑄滲制備工藝和消失模( V-EPC)法鑄滲制備工藝，其中V-EPC法是當今研究的熱門，被稱為“第三代造型方法應具有較高的硬度和抗磨性。
    鑄滲法雖然很早就為國內外鑄造工作者所關注，但至今尚未得到推廣應用。其原因是由于對鑄滲過程理論上研究不夠，許多工藝上的問題難以解決。
    首先要考慮的問題是能否使用此法生產出合格鑄件，滲層厚度能否滿足工況要求。影響鑄滲層質量的主要因素有合金化涂層（或增強相）的組成及其配制工藝、母材的合金分類、鑄滲工藝參數等。其中改善液態金屬與涂敷層表面的浸潤性，一直是鑄滲研究中的一個重要課題。為了進一步強化金屬液對涂敷層的滲透，還可以采用向液體施加外力的方法。隨著鑄滲法制備鋼基表面耐磨復合材料方面的理論研究的逐步深入，20世紀90年代以來，在應用研究方面也取得了長足的進步。Mechel通過鑄滲工藝在鋼錠模上形成了0.2-0.6mm的鋁合金化熱涂層，使模具高溫抗磨損能力提高了7070~20%．沈蜀西Il5J等用鑄滲方法研究鑄鐵滲鉻制磚模具。生產結果表明，鑄鐵滲鉻模具的使用壽命為變質處理鑄鐵的8-10倍，比灰鑄鐵提高26倍以上。蔣業華【1q等針對承受嚴重沖蝕磨損的渣漿泵過流件，采用沙型負壓鑄滲工藝制各了wc/灰鑄鐵基表面復合材料。結果表明，wc/灰鑄鐵基表面復合材料具有良好的微觀組織結構和優異的抗沖蝕磨損性能，抗沖蝕磨損性能是Cr15M03高鉻鑄鐵的2-7倍，砂型負壓鑄滲工藝可進行大面積型曲面的復合。
按照表面合金化制備金屬基表面復合材料工藝的不同，可以分為幾類：
1. 2.1普通鑄滲工藝
    在鑄滲工藝發展的初期，利用在鑄型表面涂刷以合金粉末為主的涂料，利用液態金屬的流滲能力、金屬液的余熱并使金屬液與金屬粉末間發生冶金反應，直接在鑄件表面形成合金化層。所用涂料以欲合金化的元素為主，添加一定比例的粘結劑和熔劑等制成，烘干鑄型后澆注成型。
    ‘后來的研究發現，以合金膏塊代替合金涂層，將合金膏塊放置在型腔中的適當部位，可以進一步提高鑄滲層的質量，而且在鑄滲層中可以保留較多的合金顆粒作為硬質相，以提高耐磨性。膏塊法要求涂層在澆鑄過程中的發氣量較小，殘留物少，潤濕性好。
1.2.2離心鑄滲工藝
    離心鑄滲是在旋轉體型腔預制粉末涂層，然后在澆入過熱金屬液，使金屬液在離心力的作用下滲入粉末涂層中腔內，離心鑄造法在生產雙金屬滾套筒類鑄件中應用最為廣泛。雙金屬離心鑄造是在先澆注的外層金屬基本凝固時澆入內層金屬液，兩層金屬通過組分擴散或外層金屬的重熔實現兩層金屬的冶金結合，使外層金屬與內層金屬融合成一個整體。它的工藝要求包括：外層金屬的熔點應略高于內層金屬的熔點；減少內層金屬澆注后對外層金屬的侵蝕程度；掌握合適的外層金屬與內層金屬的澆注溫度和澆注速度；并保證適當的兩層金屬液澆注時間問隔是獲得良好產品質量的關鍵工藝參數。張軍等人進行了鑄鐵耐熱表面合金化研究，在離心場中進行實驗，在鑄件表面獲得了2～4mm厚的合金化層。由于合金化層內產生的雜質和氣體在離心場中上浮一，因此，鑄造缺陷大大減少。王玉偉等人研究了離心鑄滲工藝制造增，強表面復合材料。SiC顆粒在自制專用離心機的鑄型中，靠離心力形成了具有一定緊密程度的SiC顆粒套，它具有一定的空隙率。SiC粒子預成型套在離心力的作用下滲入鐵水后，便形成了在基體中均勻分布一定數量強化相(SiC粒子)的表面復合材料。
    此外，通過震蕩也可提高金屬液對涂敷層的滲透能力，其原理與利用離心場相似，都是通過超重力提高滲透速度來強化滲透。離心鑄滲也有不足之處，如鑄件只局限于旋轉體和一些形狀較簡單的零件，對于表面形狀復雜的零件就無能為力了。
1.2.3負壓鑄滲工藝
    負壓鑄滲也叫真空吸鑄。此法無需粘結劑，采用機械真空吸附作用來固定合金粉末，由真空所產生的負壓使合金粉末緊緊地壓在鑄型壁上，從而避免被金屬液沖散，增強了金屬液與合金粉末的接觸，加強了金屬液向合金粉末的滲透能力．由于該法不用粘結劑，所以消除了鑄件因粘結劑分解而產生的氣孔，夾雜等缺陷。該工藝有兩種基本形式，即空腔負壓鑄滲（簡稱V法鑄滲）和V-EPC鑄滲工藝。
    空腔負壓鑄滲發（V法鑄滲）砂型只用干砂，不需添加粘結劑，其基本原理是在帶抽氣室的砂箱內添入單一千砂稍加微震緊實，然后對型面和砂箱背面覆有塑料薄膜的砂箱抽真空，利用砂箱內外的壓力差使鑄型定型，然后起模合箱，在保持真空狀態下澆注金屬液。與傳統砂型鑄造相比V法鑄造表面光潔度好，尺寸精度高、工藝操作簡便，使用范圍廣，生產成本低，但是這種生產方法也存在一個缺陷，即粘砂問題相當嚴重，設備投入較多。
   V-EPC鑄滲工藝也叫實型負壓鑄滲工藝，即用聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)制各試件模型，將增強顆粒均勻涂于試件(EPS)需要合金化的表面，組裝成模組后涂耐火材料，烘干后造型。增強顆粒可采用鉻鐵、鉬鐵、釩鐵顆粒和碳化鎢顆粒等。澆注過程中抽真空形成負壓將泡沫和涂膠燃燒產生的氣體抽走，利于金屬液在顆粒間的滲透，并可防止涂覆層被金屬液沖散，凝固后形成高質量的顆粒表面復合材料。該工藝使用簡便，不必考慮涂層，膏塊的安放、固定。且該法生產的鑄件尺寸精度高、加工余量小，表面光潔、無環境污染、成本低等，被認為是21世紀最有發展前途鑄造工藝，被國際材料學界譽為21世紀綠色鑄造工程。
1.2.4  SHS鑄滲法制備表面陶瓷一金屬復合材料
    自蔓延高溫合成技術，(Self-propagation High-temperature synthesis,簡稱SHS)是前蘇聯科學家米爾亞諾夫(Merzhanov)于1967年首先提出的由粉末原料合成材料的一項新技術。其基本特點是：利用外部提供必要的能量誘發高放熱化學反應體系局部發生化學反應（點燃），形成化學反應前沿（燃燒波），此后化學反應在自身放出熱量的支持下繼續進行，表現為燃燒波蔓延至整個反應體系，最后合成所需材料（粉體和固結體）lIS]。SHS是利用反應物之間的高溫化學反應熱的自加熱和自傳導的作用來合成材料的一種技術。當反應物一旦被點燃，便會自動向尚未反應的區域傳播，直至反應完全，在放熱化學反應過程同時伴隨相轉變和結構變化。它是燃燒、質量傳遞、傳熱和凝固相互疊加的復雜過程。
    該法在某些高溫放熱體系中可以達到幾千度高溫，有利于合成高溫材料同時使雜質揮發，易合成高純度材料。無論在國內還是國外，鑄滲過程中都遇到了諸如沖刷、氣孔、夾渣、滲透能力差、滲透深度不均勻、粘砂和表面粗糙度高、鑄滲鑄件的合格率低，且質星不穩定等許多問題。這就制約了該工藝在工業中的有效推廣和應用。另外，由于影響因素的復雜性，在理論方面還缺乏統一的認識。這也阻礙了該工藝的進一步發展。基于目前的狀況，本課題以工業實際生產應用為背景對鑄滲過程中的一些關鍵影響因素和相關工藝進行研究，以得到缺陷少、獲得成品率較高、質量穩定的表面合金化鑄滲鑄件。
1.3本課題的研究內容
    在本實驗中，由于影響表面合金化復合層質量的因素較多又較復雜，結合工廠實際使用鑄件的工況條件，選擇以下幾方面作為研究內容：
  1表面合金化工藝的基體材料選用鑄鋼，增強材料選用高鉻鐵粉和wc等，在此基礎上，設計合金粉與熔劑的配比、粘結劑的種類等。
  2分別采用“打樁法一和“涂敷法”進行表面合金化試驗，并對鑄滲質量進行分析，研究合金粉成分、添加劑組成、涂層厚度、烘烤溫度及澆注溫度對鑄滲質量的影響，確定最佳工藝方案。
  3鑄滲層組織形貌觀察，并對其相結構進行分析，即45鋼表面wc/高Cr鑄鐵合金化的微觀組織分析。
  4對鑄滲機制進行探討。
  5選擇實際工況對實際工件（球磨機襯板）進行生產試驗，得出較合理的生產工藝。
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