專利名稱：鐵基表面復(fù)合材料挺桿及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品及其制造技術(shù)領(lǐng)域，是一種具有以陶瓷顆粒增強(qiáng)的鐵基表面復(fù)合材料為工作面的挺桿及其制造方法。
挺桿是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件，隨著高速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和壓力的提高，要求其應(yīng)具有能在高壓、高速和劇烈磨損工況下正常工作的特性，但現(xiàn)有的可淬硬型挺桿和激冷鑄鐵挺桿都不能滿足要求。它們或缺少硬質(zhì)增強(qiáng)相，或具有的硬質(zhì)增強(qiáng)相硬度不高(僅為HV800)，而且形態(tài)差，容易產(chǎn)生剝落和點(diǎn)蝕，故這兩種挺桿都易過度磨損，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不完全從而出現(xiàn)功率下降，油耗增加以及環(huán)境污染加劇。
本發(fā)明的目的之一就是克服現(xiàn)有挺桿存在的缺陷，提供一種工作面具有鐵基表面復(fù)合材料燒結(jié)層結(jié)構(gòu)的挺桿。
目前制造這種具有鐵基表面復(fù)合材料燒結(jié)層結(jié)構(gòu)的挺桿的方法，只有本發(fā)明人在申請?zhí)枮?9114851.7中公開的“制備鐵基復(fù)合材料的鑄造燒結(jié)法”。該方法的工藝步驟有制造鑄型、制造壓坯、壓坯固定、熔煉鐵水、澆注和燒結(jié)。如果完全按照該方法的工藝步驟及條件來生產(chǎn)壓坯中含有較多易熔組分的鐵基表面復(fù)合材料挺桿，是可行的，但由于挺桿是薄壁鑄件，其最大壁厚也小于12mm，因而鑄造澆注時(shí)，鐵水所能提供的熱量不多，當(dāng)涂覆層或壓坯中含有較多的難熔組分時(shí)，在鑄造過程中挺桿底部工作面的燒結(jié)致密化就難以完成，會(huì)出現(xiàn)黑皮、灰點(diǎn)、掉渣等缺陷。如果采用99114851.7中公開的補(bǔ)充燒結(jié)措施，其能耗大，完成周期長。另外該方法在制造壓坯時(shí)所用的粘結(jié)劑為水基粘結(jié)劑，其中所含的水份蒸發(fā)較緩慢，即使經(jīng)過長時(shí)間烘烤，也不易完全除去，會(huì)在壓坯中形成孔洞，造成缺陷。
因而，本發(fā)明的目的之二是解決已有技術(shù)存在的問題，提供一種能保證在鑄造過程中完成壓坯燒結(jié)致密化，且又能耗低，周期短的方法。
本發(fā)明的目的之三是提供一種能解決因使用水基粘結(jié)劑所帶來的問題的方法。
本發(fā)明的目的之一是由這樣一種技術(shù)解決方案達(dá)到的該技術(shù)解決方案所展示的挺桿底部的工作表面為鐵基表面復(fù)合材料層，以提供挺桿底部工作表面應(yīng)具有高耐磨性和較好的耐熱、耐蝕性；挺桿桿身為球墨鑄鐵或灰鑄鐵，以提供桿身應(yīng)具有的強(qiáng)度、塑性和韌性；由于鐵基表面復(fù)合材料層是通過鑄造燒結(jié)而成的，故在桿身和鐵基表面復(fù)合材料層之間還有擴(kuò)散過渡層，以提供牢固的冶金結(jié)合。
其中，鐵基表面復(fù)合材料層為由在鐵的馬氏體或馬氏體+奧氏體或珠光體基體上均勻分布WC、VC、TiC、(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Cr，F(xiàn)e)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一種或兩種或兩種以上的陶瓷增強(qiáng)相組合而成，厚度控制為1～4mm。該材料層是在制造過程中利用鐵水的熱量使位于挺桿鑄型表面上的涂覆層或壓坯發(fā)生燒結(jié)致密化，最終在挺桿底部的端面生成的。
擴(kuò)散過渡層為由在鐵的馬氏體或馬氏體+奧氏體或珠光體基體上均勻分布網(wǎng)狀鉻的碳化物組合構(gòu)成，厚度為0.5～1.5mm。
本發(fā)明的目的之二是通過在已有方法的工藝步驟的基礎(chǔ)上，增加一步預(yù)燒結(jié)處理工序的技術(shù)解決方案達(dá)到的，即在壓坯制造好后，先經(jīng)過預(yù)燒結(jié)處理再固定在鑄型表面上。預(yù)燒結(jié)溫度為500～1400℃，并在此溫度下保溫10～120分鐘。
本發(fā)明的目的之三則是通過采用溶劑揮發(fā)度較高的粘結(jié)劑這樣一種技術(shù)方案來達(dá)到的。具體來說是在制造壓坯時(shí)所用的粘結(jié)劑采用醇基有機(jī)粘結(jié)劑，其加入量為2～7％。由于其中所含的醇類溶劑易揮發(fā)，且點(diǎn)火即可燒去，故完全消除了采用水基粘結(jié)劑的弊病。不僅如此，對于有機(jī)粘結(jié)劑，如果壓坯進(jìn)行了預(yù)燒結(jié)還可使其完全分解碳化，這對于避免氣孔是非常有利的。
為了提高粉料的流動(dòng)性和潤滑性，防止壓坯產(chǎn)生潰散、裂紋、分層等缺陷，提高壓坯強(qiáng)度，在制造壓坯時(shí)還可加入0.1～1.5％的成型劑。該成型劑可選用硬脂酸鋅、聚乙二醇、丁鈉橡膠、石蠟中的一種或兩種。
此外，由于本發(fā)明采用了預(yù)燒結(jié)工藝，使壓坯在鑄造過程中容易完成燒結(jié)致密化，因此鐵水的澆注溫度可選擇比已有技術(shù)低的溫度范圍，即1400～1550℃，這對降低能耗，減少鐵水氧化燒損，提高爐襯壽命都有好處。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1．本發(fā)明提供的具有鐵基表面復(fù)合材料層的挺桿，由于其工作表面含有大量高硬度的陶瓷增強(qiáng)相(硬度HV1800～3000)，并且其形態(tài)也很好，因此該挺桿既具有陶瓷材料的高耐磨性、耐熱性，又保持了鋼鐵材料的高強(qiáng)度和高韌性，可做到外硬內(nèi)韌，有十分優(yōu)良的綜合性能，可承受更高的載荷和更嚴(yán)酷的工作環(huán)境，特別適用現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)。
2．由于本發(fā)明提供的制造方法增加了預(yù)燒結(jié)工序，不僅能夠保證含較多難熔組分的壓坯在鑄造過程中完成燒結(jié)致密化，完全消除了黑皮、灰點(diǎn)和掉渣等缺陷，而且還能使本發(fā)明方法在制造壓坯時(shí)所采用的醇基有機(jī)粘結(jié)劑中的醇類溶劑迅速去除，有機(jī)粘結(jié)劑完全分解碳化，避免了氣孔的產(chǎn)生。
3．由于本發(fā)明用醇基有機(jī)粘結(jié)劑替代了原用的水基粘結(jié)劑，故粘結(jié)劑中的溶劑易于除去，除去時(shí)間短，無能耗，且又不會(huì)造成燒結(jié)層中的孔洞。
4．由于本發(fā)明還提出可加入成型劑，故還可以提高粉料的流動(dòng)性和潤滑性，防止壓坯產(chǎn)生潰散、裂紋或分層等缺陷，保證了鐵基復(fù)合材料燒結(jié)層的質(zhì)量。
5．由于本發(fā)明澆注溫度可大大降低，不僅降低了能耗，減少鐵水氧化燒損，而且還提高了爐襯的壽命。


圖1為筒形鐵基表面復(fù)合材料挺桿的主視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為T形鐵基表面復(fù)合材料挺桿的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明挺桿的實(shí)施例和制造挺桿方法的實(shí)施例，并對其進(jìn)行詳述。
實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例的挺桿是由桿身1和底部工作表面2構(gòu)成，挺桿桿身1為一端封閉的圓筒形，底部的工作表面位于桿身1封閉端的外端面，為鐵基表面復(fù)合材料層2，是由在鐵的馬氏體或馬氏體+奧氏體或珠光體基體上均勻分布WC、VC、TiC、(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Cr，F(xiàn)e)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一種或兩種或兩種以上的陶瓷增強(qiáng)相組合構(gòu)成，厚度為1～4mm。挺桿桿身1為球墨鑄鐵或灰鑄鐵制成。由于鐵基表面復(fù)合材料層2是經(jīng)鑄造燒結(jié)而成的，故在挺桿桿身1與鐵基表面復(fù)合材料2之間還形成有擴(kuò)散過渡層3。該擴(kuò)散過渡層3為由在鐵的馬氏體或馬氏體+奧氏體或珠光體基體上均勻分布網(wǎng)狀鉻的碳化物組合構(gòu)成，厚度為0.5～1.5mm。
實(shí)施例2如圖2所示，本實(shí)施例的挺桿也是由桿身1和底部工作表面2構(gòu)成。挺桿桿身1呈T形，底部工作表面2位于桿身1的T形端的外端面。該工作表面2、挺桿桿身1以及二者之間的擴(kuò)散過渡層3的材料、厚度與實(shí)施例1相同，略。
實(shí)施例3～8(1)制造鑄型用覆膜砂、自硬樹脂砂或潮模砂按常規(guī)方法制造挺桿的鑄型。
(2)制造壓坯按表1所列實(shí)施例2～7的組合配比，將粒度≤50μm的各種粉料一起置于球磨機(jī)中，并加入粉料總重8～20％的無水乙醇；濕混8～48小時(shí)，轉(zhuǎn)速60～200轉(zhuǎn)/分。
其中各實(shí)施例所加的易熔合金粉各成分的配比對應(yīng)見于表2。
將混勻的粉料取出烘干，加入粉料總重2～7％的醇基有機(jī)粘結(jié)劑，混勻后，裝入金屬模具在液壓機(jī)上，以100～1000MPa的單位壓力壓制成厚度為1～4mm的壓坯。另外還可在粉料中加入0.1～1.5％的成型劑。成型劑可為硬脂酸鋅、聚乙二醇、丁鈉橡膠、石蠟中的一種或兩種。
(3)預(yù)燒結(jié)處理將壓坯在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行預(yù)燒結(jié)處理，各實(shí)施例預(yù)燒結(jié)處理的溫度和保溫時(shí)間分別為實(shí)施例31300℃20～60分實(shí)施例41400℃10～60分實(shí)施例5 600℃40～80分實(shí)施例6 800℃30～70分實(shí)施例7 700℃40～80分實(shí)施例8 500℃ 50～120分(4)壓坯固定將冷卻后的壓坯用粘結(jié)劑或鋼絲固定在鑄型表面。如果用粘結(jié)劑固定，粘結(jié)劑可為502膠水、PVA水溶液、水玻璃等中的任一種。
(5)熔煉鐵水將相應(yīng)爐料在感應(yīng)電爐中按常規(guī)方法熔煉鐵水，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
(6)澆注和燒結(jié)將高溫鐵水澆入鑄型，澆注溫度為1400～1550℃，并利用鐵水熱量完成壓坯的燒結(jié)致密化，以在挺桿端面上形成鐵基表面復(fù)合材料層。
實(shí)施例9～10本實(shí)施例制作壓坯的成分按表1和2所列實(shí)施例9～10的組分配比，且制造工序除預(yù)燒結(jié)處理工序外，同前，略。不同的是本實(shí)施例的壓坯都不經(jīng)過預(yù)燒結(jié)處理，但都需要點(diǎn)火燒去壓坯中的醇基溶劑。
實(shí)施例11本實(shí)施例的制造工序除無制造壓坯、預(yù)燒結(jié)處理或不處理、壓坯的固定工序外，其余同前，略。本實(shí)施例制作壓坯的粉料配方同實(shí)施例9，并在粉料中加入占粉料總重6～8％的醇基有機(jī)粘結(jié)劑調(diào)成膏狀，直接涂覆在鑄型的相應(yīng)表面，然后點(diǎn)火燒去涂覆層中的醇基溶劑即可。
本發(fā)明不局限于以上實(shí)施例。
表1 表2
權(quán)利要求
1．一種鐵基表面復(fù)合材料挺桿，其特征在于挺桿桿身(1)為球墨鑄鐵或灰鑄鐵，挺桿(1)底部的工作表面為鐵基表面復(fù)合材料層(2)，且在挺桿桿身(1)和鐵基表面復(fù)合材料層(2)之間還有擴(kuò)散過渡層(3)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基表面復(fù)合材料挺桿，其特征在于挺桿鐵基表面復(fù)合材料層(2)的厚度為1～4mm，擴(kuò)散過渡層(3)的厚度為0.5～1.5mm。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鐵基表面復(fù)合材料挺桿，其特征在于挺桿(1)鐵基表面復(fù)合材料層(2)為由在鐵的馬氏體或馬氏體+奧氏體或珠光體基體上均勻分布WC、VC、TiC、(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Cr，F(xiàn)e)23C6等碳化物陶瓷或Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷中的一種或兩種或兩種以上的陶瓷增強(qiáng)相組合構(gòu)成。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鐵基表面復(fù)合材料挺桿，其特征在于挺桿(1)中的擴(kuò)散過渡層(3)為由在鐵的馬氏體或馬氏體+奧氏體或珠光體基體上均勻分布網(wǎng)狀鉻的碳化物組合構(gòu)成。
5．一種制造鐵基表面復(fù)合材料挺桿的方法，其工藝步驟有制造鑄型、制造壓坯、壓坯固定、熔煉鐵水、澆注和燒結(jié)，其特征在于壓坯制造好后，需先經(jīng)過預(yù)燒結(jié)處理再固定在鑄型上，預(yù)燒結(jié)溫度為500～1400℃，并在此溫度下保溫10～120分鐘。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造鐵基表面復(fù)合材料挺桿的方法，其特征在于在制造壓坯時(shí)所用的粘結(jié)劑為醇基有機(jī)粘結(jié)劑，其加入量為2～7％。
7．根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制造鐵基表面復(fù)合材料挺桿的方法，其特征在于制造壓坯時(shí)還加入了0.1～1.5％的成型劑。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造鐵基表面復(fù)合材料挺桿的方法，其特征在于所用的成型劑為硬脂酸鋅、聚乙二醇、丁鈉橡膠、石蠟中的一種或兩種。
9．根據(jù)權(quán)利要求5或6或8所述的制造鐵基表面復(fù)合材料挺桿的方法，其特征在于澆注溫度為1400～1550℃。
全文摘要
本發(fā)明提供的具有鐵基表面復(fù)合材料層的挺桿,其桿身為高強(qiáng)度灰鑄鐵或球墨鑄鐵,底部工作表面的鐵基復(fù)合材料層為由在鐵的基體上均勻分布的碳化物或氧化物陶瓷增強(qiáng)相組合構(gòu)成,在二者之間還有在鑄造燒結(jié)過程中形成的擴(kuò)散過渡層。其制造方法是將相應(yīng)的粉料制成壓坯,并經(jīng)預(yù)燒結(jié)處理后固定或直接將粉料涂覆在鑄型表面,澆入高溫鐵水,燒結(jié)、冷卻而成。該挺桿耐磨性高,綜合性能好,且制造工序少,周期短,成本低。
文檔編號B22D19/08GK1297798SQ0011318
公開日2001年6月6日 申請日期2000年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月14日
發(fā)明者王一三, 楊屹, 倪翔華, 戴紅星, 馮可芹, 蔣玉明, 鐵守榮, 高忠琴 申請人:四川大學(xué), 儀征市金長江新材料技術(shù)有限公司