專利名稱：微納米合金雙金屬復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微納米合金雙金屬復(fù)合材料及其制 備方法，特別是一種微納米合金雙金屬復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備。
背景技術(shù)：
雙金屬復(fù)合材料是將兩種或兩種以上的具有不同性能的金屬材料通過一定的工 藝進(jìn)行復(fù)合，使材料或零件的不同部位具有不同的性能，以滿足使用的要求。它與分散強(qiáng) 化型材料不同，層狀復(fù)合材料不是一種材料分散于另一種材料之中，而是各組元材料自成 一個或數(shù)個整體，組元之間以界面結(jié)合的方式復(fù)合成一體，其復(fù)合方式主要有液_固復(fù)合、 液-液復(fù)合、固-固復(fù)合等。它通常是一種合金具有高的力學(xué)性能，而另一種或幾種合金則 具有抗磨、耐腐蝕、耐熱等特殊使用性能。雙金屬復(fù)合材料可以發(fā)揮組元材料各自的優(yōu)勢， 實(shí)現(xiàn)各組元材料資源的最優(yōu)配置，節(jié)約稀有或較貴的金屬材料，實(shí)現(xiàn)單一金屬不能滿足的 性能要求，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。為此，目前國內(nèi)外開發(fā)了爆 炸焊接復(fù)合、軋制復(fù)合、鑄造復(fù)合、雙液雙金屬復(fù)合、離心鑄造復(fù)合、電渣復(fù)合、堆焊復(fù)合、噴 射沉積復(fù)合、粘接復(fù)合、鑲鑄復(fù)合、連續(xù)澆注復(fù)合法(CPC)、液態(tài)金屬電渣復(fù)合工藝(ESSLM) 等復(fù)合鑄造工藝，從而為雙金屬復(fù)合材料的制造開辟了新的技術(shù)途徑，對雙金屬復(fù)合材料 的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。但是，由于受設(shè)備和技術(shù)條件的限制，上述各種工藝，目前還無法滿足生產(chǎn)要求。 因此，盡管目前國內(nèi)外對上述工藝研究較多，但真正能在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的較少。為實(shí)現(xiàn)雙金屬復(fù)合材料的制造，國內(nèi)外均開展了大量的研究開發(fā)工作，不斷的研 發(fā)出新的制備工藝，在制造雙金屬復(fù)合材料工藝上，中國發(fā)明專利CN1390663公開了一種 鑄造雙金屬軋輥的設(shè)備與方法，所述設(shè)備包括模具，所述模具為中空的圓柱體，由上、下兩 部分組成。在模具的下側(cè)設(shè)有澆鑄管道，澆鑄口連接到澆鑄管道的外口上。在模具的上面設(shè) 置惰性氣體輸入孔，在惰性氣體輸入孔的外口上連接惰性氣體輸入管道。在模具的內(nèi)側(cè)有 一個輥身型腔。在模具的外側(cè)面繞有感應(yīng)線圈。所述設(shè)備有一個感應(yīng)電源，該電源的兩個輸 出端連接感應(yīng)線圈的兩端。由于整個生產(chǎn)工序是在通著惰性保護(hù)氣體時，在高溫下進(jìn)行的， 這使型材輥軸和輥身結(jié)合地非常牢固，從而使雙金屬軋輥的質(zhì)量大為提高；中國發(fā)明專利 CN1455139公開了一種雙金屬包覆管，其特征是在普通黑鐵管外面包覆上一層耐腐蝕有色 金屬薄層的雙金屬包覆管及機(jī)械拉制生產(chǎn)方法；用該發(fā)明的管子制作戶外廣告牌、燈桿、旗 桿、防撬門窗等，光亮美觀、耐腐蝕、抗彎強(qiáng)度高和防撬性能、可焊性好，且可節(jié)約制作成本; 機(jī)械加工方法不像電鍍那樣會污染環(huán)境，是一種環(huán)保型工藝；中國發(fā)明專利CN1447011公 開了一種雙金屬氣門推桿，其特征在于該推桿由二種具有不同膨脹系數(shù)的金屬材料的桿 身部分連接組成；其中一種材料的膨脹系數(shù)大于發(fā)動機(jī)整體的膨脹系數(shù)，另一種材料的膨 脹系數(shù)則小于發(fā)動機(jī)整體的膨脹系數(shù)，調(diào)整上述兩種不同金屬材料的桿身部分長度比例， 使整個推桿的膨脹系數(shù)相同/相近于發(fā)動機(jī)的膨脹系數(shù)。該發(fā)明解決了推桿與發(fā)動機(jī)機(jī)體 具有相同或相近的膨脹系數(shù)的技術(shù)問題；中國發(fā)明專利CN1071107公開了一種鑄鐵-銅雙金屬復(fù)合材料燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)該工藝的過程是在清潔的鑄鐵或高碳鋼金屬基體表面，撒布 一層稀薄銅粉，稀薄銅粉要均勻，不搭接、不連結(jié)，要隱約可見金屬面亮度，撒好后置入燒結(jié) 爐中進(jìn)行第一次擴(kuò)散燒結(jié)使銅鐵相互擴(kuò)散牢固粘接；然后再撒布一層厚銅粉置入燒結(jié)爐中 進(jìn)行第二次燒結(jié)，經(jīng)二次燒結(jié)后將復(fù)合材料進(jìn)行密實(shí)性處理擠壓、冷軋、或冷鍛，然后再回 爐進(jìn)行補(bǔ)充燒結(jié)使銅層更加牢固結(jié)實(shí)；中國發(fā)明專利Cmi90703公開了一種雙金屬混凝土 泵耐磨板及制造方法，首先用發(fā)泡塑料制成耐磨板形狀模具，放入砂箱中，將碳化鎢合金粉 末涂在模具相應(yīng)與耐磨環(huán)部位上，在負(fù)壓狀態(tài)下，將45號鋼水澆鑄在模具中，制成碳化鎢 雙金屬耐磨板，該制造方法簡單，成本低廉，省時省料，成型后的耐磨板不需打磨加工即可 使用，提高了產(chǎn)品的合格率，使用壽命是堆焊工藝法的3 5倍；中國發(fā)明專利CN1751826 公開了一種離心澆注具有熔合層雙金屬鋼管或坯的制造方法，本發(fā)明涉及一種離心澆注具 有熔合層雙金屬鋼管或坯的制造方法，根據(jù)不同的鋼種和鋼管規(guī)格選擇合適鋼液溫度、涂 層種類和厚度、離心機(jī)管模的轉(zhuǎn)速、澆注速度等工藝參數(shù)，其特征在于外層鋼液通過等量傾 翻裝置澆入離心鑄管機(jī)的管模中，利用離心力使?jié)踩氲匿撘壕鶆蚍植荚诠苣５膬?nèi)表面上； 在外層鋼液溫度降低成型后，將內(nèi)層鋼液注入旋轉(zhuǎn)的管模中，待內(nèi)層鋼液冷卻后脫模，形成 具有熔合層的雙金屬鋼管或坯。它成本低，可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，雙層金屬相互熔合，化學(xué)性 能高；中國發(fā)明專利CN1410192公開了一種雙金屬電渣熔鑄抗磨斗齒成組制造方法，該方 法其斗齒由不同材料的齒柄和齒尖組成，制造工藝是以齒柄的側(cè)面為疊砌面，多層對開式 水冷結(jié)晶器也依齒柄工作面前端而向上疊加，用高鉻鑄鐵做自耗電極，一次電渣熔鑄就熔 鑄出多個齒尖，同時，把對應(yīng)數(shù)量的低碳合金鋼或錳鋼齒柄熔成一體，形成一組斗齒群，然 后，用導(dǎo)電切割設(shè)備切割成一個個斗齒，采用該發(fā)明制造出的斗齒質(zhì)優(yōu)，電渣熔鑄的齒尖金 屬純度高，組織致密、無松疏、夾渣、分層等缺限，且抗磨性優(yōu)于同質(zhì)的鑄件或鍛件，齒柄抗 沖擊、彎曲疲勞強(qiáng)度高，便于操作，材料利用率高，能耗低，該工藝的不足之處為制造工藝復(fù) 雜，生產(chǎn)效率低，成本高。上述各種工藝均通過鑄造的方法使兩種材料復(fù)合成一體。具有工藝復(fù)雜，技術(shù)難 度大，生產(chǎn)成本高，設(shè)備投資大，界面結(jié)合控制難度大，產(chǎn)品性能差，適用范圍窄。由于摩擦磨損主要發(fā)生在材料的表面，為解決材料表面的腐蝕、磨損、氧化、疲勞 等問題，近年來，材料工作者研發(fā)了表面工程技術(shù)。采用先進(jìn)的表面技術(shù)，在普通的材料表 面優(yōu)化設(shè)計(jì)出所需的耐磨涂層是一種簡便有效的方法。在工件上通過表面涂覆、表面改性 或多種表面工程技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié) 構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需要的表面性能，是現(xiàn)代材料工程中的一個重要領(lǐng)域和重要分支。 目前成功制備的涂層有耐磨涂層、耐腐蝕涂層、耐氧化涂層、抗疲勞涂層、熱障涂層、密封 涂層、絕緣涂層、導(dǎo)電涂層和裝飾涂層等。采用的粉末合金大多為Co，Ni和Fe粉末，添加的 硬質(zhì)相有氧化物(A1203，Ti02, Si02)，碳化物(SiC，Cr3C2，WC, TiC，B4C)，固體潤滑劑(PTFE， 石墨，MoS2)等；制備的工藝也多種多樣，如電鍍、火焰噴涂、等離子噴涂(plasmaSpray)、物 理氣相沉淀(PVC)、化學(xué)氣相沉淀(CVD))、高速氧燃燒法(HoVF)、堆焊、真空熔覆、高頻感應(yīng) 熔涂、激光熔覆等工藝；其應(yīng)用領(lǐng)域也極為廣泛，幾乎包括了所有的高新技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)、 民用領(lǐng)域，如航天、航空、航海、計(jì)算機(jī)、電子、信息、交通、石油、化工、建筑、水利、機(jī)械等。 它不僅可顯著提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命，減少產(chǎn)品的維護(hù)和更換，而且節(jié)約材料和合 金資源、能源，有利于環(huán)境的保護(hù)。因此，材料的表面改性和涂覆、熔覆技術(shù)是近年來世界各國發(fā)展較快的一種新工藝。它能使普通材料表面的耐磨性成倍提高。從而拓寬了材料的應(yīng) 用領(lǐng)域。有統(tǒng)計(jì)表明，與表面技術(shù)直接相關(guān)的產(chǎn)業(yè)已占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的7%。然而，雖然目前國內(nèi)外開發(fā)出了眾多的金屬表面復(fù)合材料的制備方法，但每種方 法都有其難以克服的缺點(diǎn)。例如，噴涂技術(shù)中的涂層與基體仍是機(jī)械結(jié)合，噴涂層脫落，不 適合重載作條件；高能束熱源熔敷中，熔敷層的氣孔和開問題一直是碳化物陶瓷堆焊的難 題；堆焊表面開裂、噴焊表面硬度較低、噴焊層厚度不均、噴涂粉末利用率低、涂層結(jié)合強(qiáng)度 低、涂層致密度低；真空熔覆存在合金元素蒸發(fā)較多和脫碳現(xiàn)象及設(shè)備復(fù)雜；高頻感應(yīng)熔 涂存在工件氧化嚴(yán)重，表面粗糙，合金元素被燒損及覆層和基體之間的結(jié)合力弱；激光熔覆 存在設(shè)備投資大，生產(chǎn)效率低，工藝難度大的缺點(diǎn)等，都直接影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和使用 壽命，制約了其推廣和應(yīng)用；而高能熔化-注射技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)探索階段，尚未到廣泛 應(yīng)用水平。同時，上述各種表面涂覆、熔覆工藝所存在的一個共同的缺陷為單次熔涂厚度僅 為0. 1 2mm厚，當(dāng)熔涂厚度大時，發(fā)生熔融合金流淌，無法制備大厚度的表面熔涂層，從而 限制了應(yīng)用領(lǐng)域。在熔覆材料上，目前國內(nèi)外主要采用鎳基自熔合金、鐵基自熔合金、鈷基自熔合 金，以及上述合金與碳化物、氮化物、硼化物和硅化物顆粒組成的金屬陶瓷復(fù)合粉末，這類 金屬粉末成型后普遍存在合金層之間結(jié)合強(qiáng)度低，耐磨性能差，殘余應(yīng)力大，材料的脆性 大，易出現(xiàn)氣孔和裂紋，無法熔覆大厚度的熔覆層材料等問題，從而嚴(yán)重的影響了表面熔涂 技術(shù)的應(yīng)用，使其僅限于在表面磨損量小的小型零件應(yīng)用，無法應(yīng)用于表面磨損量大的大 厚度復(fù)合層零部件和材料，從而限制了應(yīng)用領(lǐng)域。納米材料是納米科學(xué)中的一個重要的研究發(fā)展方向。近年來，隨著納米科學(xué)的興 起，納米材料已在許多科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的重視，成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。所謂納米材 料是由納米量級的納米粒子組成的固體材料，納米粒子的大小一般不超過lOOnm，當(dāng)粒子尺 徑進(jìn)入納米量級1 IOOnm時，由于納米粒子的表面原子與體積總原子數(shù)之比隨粒徑尺寸 的減小而急劇增大，使其顯示出4個基本效應(yīng)強(qiáng)烈的量子尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、體 積效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。這些特性使納米材料呈現(xiàn)出許多奇特的性質(zhì)而具有某些優(yōu) 異的性能，如高熱膨脹系數(shù)、高比熱容、低熔點(diǎn)、奇特的磁性、極強(qiáng)的吸波性能等。納米微粒 尺寸很小，納米粒子的表面原子數(shù)與其總原子數(shù)之比隨粒徑尺寸的減小而急劇增大，所以 納米材料有高密度缺陷、高的過剩能、大的比表面積和界面過剩體積。納米材料也因此具有 許多特殊的性能，如高的彈性模量、較強(qiáng)的韌性、高強(qiáng)度、超強(qiáng)的耐磨性、自潤滑性和超塑性 等。由于納米材料的特異性能，因而具有廣泛而重要的應(yīng)用前景。但是，由于國內(nèi)外尚無法制備大尺寸的塊狀金屬納米材料，因此，推廣應(yīng)用受到了 限制。而且由于材料的損壞主要發(fā)生在其表面，將整體金屬納米材料應(yīng)用于制造工件，也造 成材料的極大浪費(fèi)。目前，國內(nèi)外對納米金屬材料開展了比較深入的研究，研究表明，當(dāng)金屬或合金制 備成納米微粒后，所呈現(xiàn)出的最大特點(diǎn)是其熔點(diǎn)較普通金屬熔點(diǎn)低，如金的熔點(diǎn)是1063°C， 而納米金只有330°C，熔點(diǎn)降低近700°C ；銀的熔點(diǎn)由金屬銀的960. 8°C降為納米銀的 100°C。納米金屬熔點(diǎn)的降低不僅使低溫?zé)Y(jié)制備合金成為現(xiàn)實(shí)，還可使不互溶的金屬冶煉 成合金，對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。如在鎢顆粒中加入0.1% 0.5% (質(zhì)量比)的納米Ni粉，燒結(jié)溫度可從3000°C降為1200 1300°C。納米金屬材料所具有的低熔點(diǎn)特 性從而為制備高性能、大厚度表面熔覆層材料提供了有利的條件。并開發(fā)出了相應(yīng)的納米 表面工程技術(shù)。 納米表面工程技術(shù)是充分利用納米材料所具有的上述各項(xiàng)優(yōu)越性能，將傳統(tǒng)的 表面工程技術(shù)與納米材料、納米技術(shù)交叉、綜合、融合，制備出含納米材料或納米增強(qiáng)顆粒 的納米結(jié)構(gòu)的表層或復(fù)合覆層，是近幾年國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。中國發(fā)明專利CN1807685公 開了一種金屬表面的納米涂層工藝，所述的納米涂層工藝包括如下工藝步驟(1)清潔金 屬需處理區(qū)表面；(2)在清潔后的表面涂覆納米粉末材料；(3)待涂層干燥后，根據(jù)涂層面 積選擇相應(yīng)光斑的激光束進(jìn)行熔覆處理；并同時對激光熔覆處理區(qū)域進(jìn)行同步的惰性氣 體保護(hù)；(4)激光熔覆處理后的金屬自然冷卻即可。該發(fā)明通過大功率高能量激光束的作 用，在金屬表面直接制備可控納米結(jié)構(gòu)涂層，通過激光熔覆，復(fù)合納米顆粒、擴(kuò)散、快速冷 卻、彌散分布在金屬表面，實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備關(guān)鍵部件性能的提升和易腐易磨報廢零部件的修 復(fù)再生利用；中國發(fā)明專利CN1413774公開了一種粉末熱噴涂納米材料涂層的制備方法， 該方法首先對基體表面進(jìn)行凈化、活化、納米化的處理，然后在大孔徑噴槍的粉末熱噴涂裝 置上，采用團(tuán)聚態(tài)納米材料的熱噴涂粉末，直接對基體表面進(jìn)行熱噴涂，最后獲得高質(zhì)量 的納米晶組織的表面涂層，其涂層機(jī)械性能好，制備工藝簡單、粉末沉積率和噴涂效率高， 生產(chǎn)成本低，可以實(shí)現(xiàn)氧乙炔火焰粉末噴槍直接熱噴涂陶瓷涂層。該發(fā)明適用于抗高溫 氧化、抗腐蝕、耐磨、熱障、絕緣等金屬涂層、金屬陶瓷涂層、陶瓷涂層的制備；中國發(fā)明專 利CN1569974公開了一種多元氧化物納米涂層及其制備方法和應(yīng)用，涂層由底料和面料組 成，底料組分的重量百分比為石英35 40%、玻璃粉27 29%、鉀長石10 12%、硼砂 14 15%、鈦白粉5 6%、螢石1. 0 1. 5%, ReOl. 0 1. 5%、氧化鈷1. 0 1. 5%、粘 土 5 5. 5%。面料組分的重量百分比為石英40 50%、玻璃粉23 26%、鉀長石7 10%、硼砂12 15%、鈦白粉4. 3 5. 3%、螢石1. 0 1. 3%、ReOl. 2 1. 5%、氧化鎳 1. 3 1. 6%、粘土 5 5. 5%。該方法由高溫熔化配料、濕式球磨制備粘稠性漿料、鋼鐵基 材的漿料涂覆、涂層表面液相燒結(jié)工藝組成。具有優(yōu)良的抗腐蝕和抗磨損性能，用作磷化工 或酸堿化工設(shè)備的易腐蝕和易磨損構(gòu)件，可使構(gòu)件的連續(xù)工作壽命比現(xiàn)材料高2到10倍； 中國發(fā)明專利CN1598057公開了一種等離子噴涂制備納米涂層的方法，該方法是借助輸送 氣體將涂層材料直接注入等離子火焰，并利用等離子火焰的高溫將涂層材料加熱融化，高 速撞擊粘附于金屬基底材料表面，經(jīng)冷卻即成，其特征在于涂層材料為配置的納米級漿料， 該漿料中其涂層材料的粒徑彡250nm，重量百分比含量為5 20% ；在注入等離子火焰時， 將納米級漿料霧化。該發(fā)明提供的這種等離子噴涂制備納米涂層的方法，不僅可大大提高 涂層與基底金屬材料間的結(jié)合強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力，滿足制作長壽命植入體的要求，而 且還可賦予涂層為納米材料所擁有的種種優(yōu)異特性，同時方法簡單，成熟，操作容易，效率 高；中國發(fā)明專利CN101126159公開了一種高性能NiCr基納米涂層制備方法，其特征在于 采用超音速火焰噴涂制備納米結(jié)構(gòu)涂層，涂層制備采用兩種粉體，一種是微米尺度的霧化 粉體，另一種是霧化粉經(jīng)液氮球磨后生成的納米晶粉體；兩種粉體的重量百分比成分均為 Ni 52. 26% ；Cr 45. 88% ；C 1.86% ；噴涂用基體試樣為20#鋼，噴涂前用90微米的棕剛玉 粉對基體表面進(jìn)行半分鐘的噴砂毛化處理，噴涂涂層厚度控制在0. 3-0. 5毫米。納米涂層 組織致密度、顯微硬度以及在500-650°C溫度下的硫化腐蝕抗力和抗氧化能力均優(yōu)于相同
8成分和方法制備的微米涂層，該方法特別適用于對燃煤鍋爐“四管”高溫腐蝕及沖蝕磨損的 防護(hù)和修補(bǔ)；中國發(fā)明專利CN101429409公開了一種高Cr含量Ni基納米涂層粉體及制備 方法，粉體材料成分重量百分比為=Ni 50-52% ；Cr 44-46% ；C 1~2%0其制備方法為首 先通過真空熔煉和霧化制粉技術(shù)制備原始粉體，然后采用液氮保護(hù)下的球磨技術(shù)對上述粉 體進(jìn)行16-20小時的納米化加工，制成晶粒尺度為納米量級的粉體。該粉體材料具有良好 的流動性和熱穩(wěn)定性，該發(fā)明可改善防護(hù)涂層的質(zhì)量和水平，提高涂層的綜合使用性能，能 進(jìn)一步提高燃煤鍋爐“四管”抗高溫腐蝕及沖蝕磨損能力。用該材料采用超音速火焰噴涂 制備納米結(jié)構(gòu)涂層；納米涂層組織致密度、顯微硬度以及在500-650°C溫度下的硫化腐蝕 抗力和抗氧化能力均優(yōu)于相同成分和方法制備的微米涂層。由上述各項(xiàng)已公開的專利和報導(dǎo)可知，目前國內(nèi)外雖然已開發(fā)出了眾多的表面納 米涂覆技術(shù)，但由于所涂覆的材料層較薄，一般僅為0. 1 Imm厚，且表面涂覆的材料與基 體材料的結(jié)合強(qiáng)度差，材料在噴涂過程中浪費(fèi)大，成本高，并且還存在著工藝復(fù)雜，工作環(huán) 境差等各種弊端，使應(yīng)用這些工藝制備的涂層，在推廣應(yīng)用方面受到了一定程度的限制。因此，充分利用納米金屬所具有的低熔點(diǎn)性能，研究開發(fā)出耐磨性能高，材料殘余 應(yīng)力小，脆性小，不易出現(xiàn)氣孔和裂紋，能夠滿足熔覆大厚度的熔覆層材料要求的納米復(fù)合 材料，并研究開發(fā)相應(yīng)的具有制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低的微納米或納米合金雙金屬復(fù)合 材料制備工藝，使其不僅能夠在在廉價的碳鋼及其他金屬材料的表面制作一層薄層的微納 米或納米合金雙金屬復(fù)合材料，而且還可以制備具有大厚度的微納米或納米合金雙金屬復(fù) 合材料，并且涂覆層或熔覆層厚度可以根據(jù)需要進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，以滿足不同使用工況要求， 對提高工件使用壽命，降低工件制造和使用成本，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約貴重合金和能源消 耗，實(shí)現(xiàn)納米金屬復(fù)合材料在工業(yè)上的實(shí)質(zhì)上的應(yīng)用，拓寬表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域，使金屬基 納米復(fù)合材料以其優(yōu)良的特性在新材料、冶金、自動化和航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮更加巨大的 作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于充分利用納米金屬所具有的低熔點(diǎn)性能，通過在納米金屬合金 中添加一定的具有可以抑制熔覆涂層裂紋，降低熔覆層裂紋的敏感性，提高涂層的耐磨、耐 蝕、抗氧化及抗熱震性能的添加劑，解決現(xiàn)有熔覆材料和納米材料的不足，并提供一種新型 雙金屬復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備，將該材料制造成納米或微納米雙金屬復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)納 米金屬合金與金屬材料的有效復(fù)合，發(fā)揮納米材料的優(yōu)良特性，從而制備出具有性能更加 優(yōu)異的能夠同時滿足制備薄層熔覆層和大厚度熔覆層的新型高性能納米金屬合金表面復(fù) 合材料，獲得具有制備工藝簡單，成本低，產(chǎn)品性能好的大厚度納米合金雙金屬復(fù)合材料制 備工藝及設(shè)備。解決其技術(shù)問題的設(shè)備方案是該設(shè)備由顆粒下料器、變頻感應(yīng)加熱器、底座、升 降抽錠設(shè)備、惰性氣體輸送管、成型模具、高能超聲波振動器和真空罩組成，在成型模具的 上部安裝有1 6臺顆粒下料器，在成型模具的外部安裝有變頻感應(yīng)加熱器，在成型模具的 下部安裝有底座和升降抽錠設(shè)備，在成型模具的下部或上部或側(cè)面安裝有高能超聲波振動 器，惰性氣體輸送管安裝在成型模具的上部，真空罩對成型模具設(shè)備進(jìn)行密封，真空泵安裝 在真空罩的底部、上部或任一側(cè)面，通過管道與控制閥門和真空泵相連結(jié)，成型模具根據(jù)所用材料不同而分為耐火材料或石墨材料成型模具，金屬水冷結(jié)晶器成型模具，在金屬水冷 結(jié)晶器成型模具的下部設(shè)有進(jìn)水管，在金屬水冷結(jié)晶器成型模具的上部設(shè)有出水管，通過 熱電偶和溫度控制器對成型模具內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制；或由箱蓋、工件、變頻感應(yīng)加熱 器、鑄造型砂、真空泵、真空泵閥門、管道、振動器和箱體組成，變頻感應(yīng)加熱器安裝在箱體 的內(nèi)部，振動器安裝在箱體的底部或側(cè)部，振動器為機(jī)械振動或超聲波振動，真空泵安裝在 箱體的任一側(cè)面，通過管道與真空泵閥門和真空泵相連結(jié)，通過熱電偶和溫度控制器對箱 體內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制；變頻感應(yīng)加熱器的頻率可以從500Hz 300kHz之間分段無極 調(diào)整。解決其技術(shù)問題的方案是將各種材質(zhì)的熱作模具鋼、冷作模具鋼、高速工具鋼、 高鉻鑄鐵、不銹鋼、耐熱鋼、各種耐磨、耐腐蝕黑色金屬材料、各種有色金屬材料、各種自熔 合金的其中之一種制備成粉末，或采用金屬和合金粉末按照上述各種金屬合金材料的成 分進(jìn)行配制，然后在其中按照質(zhì)量百分比加入Ce02、Y3O2, La2O3其中之一或兩種以上組合 的彡 0. 8 %，0· 3-1. 5 % MgO,0. 3-1. 8 % CaF2,0. 0-1. 5B %,0. 1-0. 8 % Nb，0. 1-1. 0 % Ti, 0. 1-2. 0 的 03(2、￥(、1&(、21~(、恥(、肚(、118、111恥1六11￥1。&、六1、8&、]\%』元素的其 中之一或二種以上的組合體的晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑，將其組分原料配比后，放入高能 攪拌球磨機(jī)中進(jìn)行攪拌球磨制備成微納米或納米合金粉體；或在上述成分的合金粉體中加入質(zhì)量百分比含量為-40%的強(qiáng)碳氮硼化物形 成合金元素超細(xì)粉體與原位合成碳氮硼化物化學(xué)反應(yīng)所需劑量的C粉，Al粉，CuO2或B2O3 或Fe2O3其中之一或二種以上的組合體，經(jīng)混合后放入攪拌球磨機(jī)內(nèi)共同進(jìn)行攪拌球磨，使 其在攪拌球磨機(jī)內(nèi)原位合成質(zhì)量百分比含量為-40%的Ti、Nb、V、B、W、Si、&的其中之 一或二種以上的組合體的碳化物、氮化物、硼化物或碳氮化物顆粒增強(qiáng)的微納米或納米混 合粉體；或在所述上述成分的合金粉體中加入質(zhì)量百分比含量為-40%的碳化物、氮 化物、硼化物、硅化物或碳氮化物其中之一或組合體的納米顆粒，將其在攪拌球磨機(jī)中通過 攪拌球磨工藝制備成含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或碳氮化物其中之一或二種以上 的組合體的外加納米顆粒增強(qiáng)的微納米或納米混合粉體；將上述合金粉體的其中之一種加入的水玻璃、松香油或汽油橡膠溶液、 樹脂、糊精其中之一或二種以上的組合體粘接劑，混合后制成顆?；蚍蹱睿?jīng)晾干或在 50 90度的溫度下烘干，加入到顆粒下料器中，將經(jīng)過表面清潔加工處理后的工件放在成 型模具內(nèi)，將成型模具固定在底座上，打開惰性氣體閥門，通過惰性氣體輸送管向成型模內(nèi) 通入惰性氣體，使熔覆過程在保護(hù)氣氛中進(jìn)行；或啟動真空泵對密封罩內(nèi)進(jìn)行抽真空，使成 型模具內(nèi)的真空度達(dá)到1 3X 10-2mmHg，使熔覆過程在真空中進(jìn)行，以減少和消除熔融合 金中的氣體和氣孔；啟動顆粒下料器將所制備好的含有粘接劑的合金顆?；蚝辖鸱蹚某尚湍５纳喜?按照所預(yù)定的流量，以5 500g/mni連續(xù)加入到成型模內(nèi)，啟動變頻感應(yīng)加熱器對成型模 內(nèi)的合金顆?；蚝辖鸱酆桶惭b在成型模具內(nèi)的工件進(jìn)行感應(yīng)加熱，變頻感應(yīng)加熱器的頻率 根據(jù)熔覆工件質(zhì)量和尺寸和熔覆層厚度的不同而在500Hz 300kHz之間進(jìn)行選擇和分 段無極調(diào)整，使其達(dá)到熔覆溫度為950°C 1280°C，通過熱電偶和溫度控制器對成型模內(nèi) 的溫度進(jìn)行測試和控制，使加入到成型模內(nèi)的合金顆粒或合金粉熔化，并與成型模具內(nèi)的工件熔合，形成雙金屬復(fù)合體，啟動升降設(shè)備，將成型模以2 150mm/min的速度向下移 動，或?qū)⒊尚湍＞邇?nèi)熔覆好的并已經(jīng)凝固在工件上的雙金屬復(fù)合材料從成型模具內(nèi)以2 150mm/min的速度向下抽動，通過控制顆粒下料器的下料速度和升降設(shè)備的下降或抽錠速 度，使熔融區(qū)保持在5 50mm高度的范圍內(nèi)，使合金材料熔融和凝固在成型模內(nèi)的工件的 所需部位上，使熔覆層與工件形成冶金結(jié)合，合金材料在成型模具內(nèi)的凝固自下而上連續(xù) 的逐層進(jìn)行，啟動超聲波振動器對熔融合金凝固組織進(jìn)行振動細(xì)化處理，熔覆完畢后，停 止加熱和輸入惰性氣體或抽真空，打開成型模具，即在工件的所需部位得到熔覆有0. 1 35mm厚度尺寸的具有抗磨、耐腐蝕、導(dǎo)電或含有自潤滑性能的大厚度的晶粒度為微納米或 納米級的合金熔覆層，或含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物的其中之一或二種以上的組 合體納米顆粒增強(qiáng)的具有抗磨、耐腐蝕、導(dǎo)電或含有自潤滑性能的大厚度的晶粒度為微納 米或納米級的合金熔覆層，制備成晶粒度為微納米或納米級金屬合金的大厚度覆層雙金屬 復(fù)合材料；或?qū)⑸鲜龊辖鸱垠w的其中之一種加入-10%的松香油或汽油橡膠溶液、樹脂、 糊精其中之一或二種以上的組合體粘接劑，調(diào)制成合金料漿或膏體，將工件表面進(jìn)行清潔 加工處理后，在工件表面刷涂一層松香油或汽油橡膠溶液、樹脂、糊精其中之一或二種以上 的組合體的粘接劑，以改善工件表面與涂層的潤濕性和粘接效果，根據(jù)工件形狀和尺寸，采 用金屬材料制造成相應(yīng)形狀和尺寸的模具，將工件放入模具中，將調(diào)制成料漿的合金粉體 自模具頂部灌入，同時對其進(jìn)行振動，使合金粉體料漿得到緊實(shí)并消除漿料中的氣泡，澆注 完畢后繼續(xù)振動1 5min，取下模具，脫模后即獲得涂有所需厚度合金粉體的工件，將工件 晾干或在50°C 90°C的溫度下烘干；或?qū)⒄{(diào)制好的合金漿體或膏體，根據(jù)所需涂覆合金層 的厚度尺寸以涂抹或噴涂的方式涂熬于工件上，將其晾干或在50°C 90°C的溫度下烘干； 將 70% 85% SiO2,12% 15% B2O3,8 12% Al2O3,0. 5% 2% Al 粉，0. 5% 2% MgO 混合，加入10% 15%的水玻璃和5 10%的水?dāng)嚢枵{(diào)制成涂料，然后將其涂覆在涂有 合金粉體的工件表面，使其形成一層厚度為0. 8 1. 5mm的具有高透氣性的保護(hù)涂料，晾 干或烘干；在箱體內(nèi)的底部鋪一層鑄造型砂，將涂覆有合金粉體和保護(hù)涂料的工件固定在 箱體內(nèi)的所需位置上，然后在箱體內(nèi)填上鑄造型砂，將箱體密封，啟動振動器進(jìn)行振動，使 箱體內(nèi)的鑄造型砂緊實(shí)包裹住工件，啟動真空泵對箱體進(jìn)行抽真空，使箱體內(nèi)的真空度達(dá) 到1 3 X 10-2mmHg，啟動變頻感應(yīng)加熱器對箱體內(nèi)的涂覆有合金粉體和保護(hù)涂料的工件進(jìn) 行感應(yīng)加熱熔燒，變頻感應(yīng)加熱器的頻率根據(jù)熔燒工件量的不同而在200Hz 500kHz之 間進(jìn)行選擇和分段調(diào)整，使其達(dá)到熔燒溫度為950°C 1280°C，通過熱電偶和溫度控制器 對箱體內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制，燒結(jié)時間為IOmin 50min，在熔燒過程中真空泵和振動 器不停止對箱體進(jìn)行抽真空和振動，在達(dá)到所預(yù)定的時間和溫度后停止加熱和抽真空和振 動，打開箱蓋，使箱內(nèi)溫度下降到200°C后取出工件，即完成整個熔燒周期，即在工件的所需 部位得到熔覆有0. 1 35mm厚度尺寸的具有抗磨、耐腐蝕、導(dǎo)電或含有自潤滑性能及其他 特殊性能的大厚度的晶粒度為微納米或納米級的合金熔燒層，或含有碳化物、氮化物、硼化 物、硅化物的其中之一或二種以上的組合體納米顆粒增強(qiáng)的具有抗磨、耐腐蝕、導(dǎo)電或含有 自潤滑性能及其他特殊性能的大厚度的晶粒度為微納米或納米級的合金熔燒層，制備成大 厚度覆層的晶粒度為微納米或納米級金屬合金雙金屬復(fù)合材料。有益效果
上述方案中，充分利用納米金屬所具有的低熔點(diǎn)性能，通過添加適量的MgO和CaF2 和稀土合金使金屬合金具有良好的韌性和塑性，具有良好的潤濕性及自熔性，塑、韌性大， 能夠阻止裂紋的產(chǎn)生，提高了合金粉料在快速熔覆成形中的抗裂性、成形性、工藝穩(wěn)定性和 成分均勻性；通過在金屬合金中添加一定量的晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑，使其在微納米或 納米金屬結(jié)晶過程中在金屬內(nèi)部形成一定的形核粒子，由于這些粒子幾乎在固相線以下奧 氏體中析出，從而能夠?qū)w金屬的晶粒進(jìn)行細(xì)化和抑制再結(jié)晶，提高材料的再結(jié)晶溫度， 通過晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑的加入，細(xì)化了金屬的晶粒組織，實(shí)現(xiàn)了第二相超細(xì)粒子對 金屬晶粒的釘扎作用，對后期熱加工過程中的晶粒長大起釘扎阻礙作用，提高了金屬材料 的組織穩(wěn)定性和塑性穩(wěn)定性和使用溫度。為防止鑄造過程中，納米顆粒的晶粒長大，本發(fā)明 采用水冷結(jié)晶器對熔體進(jìn)行快速冷卻結(jié)晶，可有效地控制納米晶粒和熔體晶粒的長大，同 時，由于復(fù)合層金屬對熔覆層的冷卻作用，從而對熔覆層金屬合金形成了雙向快速冷卻，使 所制備的熔覆層金屬合金具有高的致密度和細(xì)的結(jié)晶組織，從而實(shí)現(xiàn)了大厚度微納米或納 米金屬合金雙金屬復(fù)合材料的的制備。在本發(fā)明中由于采用高能攪拌球磨制備微納米或納米金屬粉體工藝，將金屬合金 粉末和納米增強(qiáng)顆粒與一定量的晶粒細(xì)化和抑制劑共同進(jìn)行高能機(jī)械攪拌球磨，從而使納 米顆粒與基體金屬合金粉末和晶粒細(xì)化和抑制劑在攪拌球磨和混合過程中大量的碰撞現(xiàn) 象發(fā)生在球粉末與磨球之間，被捕獲的粉末在碰撞作用下發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，使粉末反 復(fù)的焊合和斷裂。經(jīng)過“微型鍛造”作用，元素粉末實(shí)現(xiàn)均勻混合，晶粒尺度達(dá)到微納米級 或納米級，比表面積大大增加。由于增加了反應(yīng)的接觸面積，縮短了擴(kuò)散距離，元素粉末間 能充分進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散速率對反應(yīng)動力的限制減小，而且晶粒產(chǎn)生高密度缺陷，儲備了大量 的畸變能，使反應(yīng)驅(qū)動力大大增加，可使互不相溶的合金元素或溶解度較低的合金粉末發(fā) 生互擴(kuò)散，形成具有一定溶解度或較大溶解度的超飽和固溶體和非晶相，從而使粉體在混 合過程中實(shí)現(xiàn)納米化和合成納米化合物，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和抑制劑和納米增強(qiáng)顆粒在基體金 屬中的均勻分布。由于在混合過程中加入了一定量的粘結(jié)劑，從而解決了納米顆粒的團(tuán)聚 和分散技術(shù)難題，而且生產(chǎn)效率高，制備成本低。本發(fā)明采用感應(yīng)加熱設(shè)備在低真空狀態(tài)下進(jìn)行感應(yīng)熔覆。與傳統(tǒng)的加熱方式相 比，感應(yīng)加熱具有加熱溫度高，加熱速度快，效率高，能耗小，涂層與基體的結(jié)合力強(qiáng)；加熱 能量主要集中于工件表面，對基體的熱影響小，可制備厚涂層，工藝控制靈活方便；同時工 件材料燒損小，無氧化，采用非接觸式加熱方式，在加熱過程中不易摻入雜質(zhì)，作業(yè)環(huán)境符 合環(huán)保要求，與激光熔涂等技術(shù)相比，感應(yīng)加熱能源消耗小，生產(chǎn)成本較低，而且易于實(shí)現(xiàn) 加熱過程的自動化。由于采用感應(yīng)加熱設(shè)備對工件進(jìn)行加熱，加熱均勻性好，并可以根據(jù)需 要調(diào)節(jié)熔覆溫度，采用水冷結(jié)晶器技術(shù)成型可以任意控制冷卻速度，提高了合金材料的冷 卻強(qiáng)度，使熔覆層材料的結(jié)晶組織晶粒度細(xì)小，致密度高，無氧化。由于成形模相對于加熱 源向下移動，且上部不斷地由供料器提供新的原材料，成形模內(nèi)的材料熔融區(qū)域可以始終 保持在所需的范圍。整個模內(nèi)材料的熔融和凝固則自下而上連續(xù)進(jìn)行。這樣逐步進(jìn)行的熔 融和凝固可以防止或減輕成分和組織的偏析，而且具有一定的定向凝固效果，有利于提高 材料的性能，使所制備的熔覆層材料各項(xiàng)性能優(yōu)良?？梢灾圃齑笮凸ぜ?，從而解決了目前國 內(nèi)外無法制備大厚度層納米金屬表面熔覆層材料和大型工件納米金屬表面熔覆層的難題。本發(fā)明適用各種形狀產(chǎn)品的表面整體合金涂層處理和局部梯度合金涂層處理。由于本發(fā)明采用獨(dú)特的合金成分配比和快速冷卻技術(shù)和凝固組織控制技術(shù)，克服了傳統(tǒng)的各 種涂覆工藝所存在的涂覆層合金材料致密度低，結(jié)合層強(qiáng)度低和表面開裂等技術(shù)難題，所 制造的表面熔覆層材料各項(xiàng)性能優(yōu)良，界面結(jié)合易于控制。可以對各種金屬材料的表面進(jìn) 行合金涂覆和熔覆處理?？梢詫⒓訜岷椭厝垡淮瓮瓿?，可以一次完成大厚度熔覆層工件的 制備，無需反復(fù)涂覆和燒結(jié)，可根據(jù)需要任意控制熔覆層厚度，材料利用率高，設(shè)備簡單，投 資小，生產(chǎn)工藝簡單和易于控制，生產(chǎn)效率高，加工余量小，制備成本低，產(chǎn)品性能和質(zhì)量 好。不僅能夠在在廉價的碳鋼及其他金屬材料的表面制作一層薄層的微納米或納米級熔覆 合金雙金屬復(fù)合材料，而具還可以制備具有大厚度的微納米或納米級熔覆合金雙金屬復(fù)合 材料，并且涂覆層或熔覆層厚度可以根據(jù)需要進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，以滿足不同使用工況要求。對 提高工件使用壽命，降低工件制造和使用成本，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約貴重合金和能源消耗， 實(shí)現(xiàn)納米金屬材料在工業(yè)上的實(shí)質(zhì)上的應(yīng)用，拓寬表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域，使金屬基納米復(fù) 合材料以其優(yōu)良的特性在新材料、機(jī)械、石油、礦山、建材、工業(yè)鍋爐、冶金、化工、汽車、航空 等領(lǐng)域發(fā)揮更加巨大的作用。具有良好的應(yīng)用和推廣前景，有著巨大的市場和良好的經(jīng)濟(jì) 效益。


圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 圖1為真空感應(yīng)熔覆設(shè)備。該設(shè)備由出水管1，顆粒下料器2，合金粉料 3，工件4，惰性氣體輸送管5，熔池6，成型模具7，變頻感應(yīng)加熱器8，進(jìn)水管9，底座10，高 能超聲波振動器11，升降和抽錠設(shè)備12，熔覆層13，真空泵閥14，真空電機(jī)15，真空密封罩 16組成；在成型模具7的上部安裝有1 6臺顆粒下料器2，在成型模具7的外部安裝有變 頻感應(yīng)加熱器8，在成型模具7的下部安裝有底座10和升降抽錠設(shè)備12，在成型模具7的 下部或上部或側(cè)面安裝有高能超聲波振動器11，惰性氣體輸送管5安裝在成型模具7的上 部，真空密封罩11對成型模具7設(shè)備進(jìn)行密封，真空泵安裝在真空密封罩11的底部、上部 或任一側(cè)面，通過管道與真空泵閥14和真空泵電機(jī)15相連結(jié)，成型模具7為金屬水冷結(jié)晶 器結(jié)構(gòu)，在金屬水冷結(jié)晶器成型模具7的下部設(shè)有進(jìn)水管9，在金屬水冷結(jié)晶器成型模具7 的上部設(shè)有出水管1，通過熱電偶和溫度控制器對成型模具7內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制，變 頻感應(yīng)加熱器的頻率可以從500Hz 300kHz之間分段無極調(diào)整。工作開始時，首先將H13熱作模具鋼制備成粉末，或采用金屬和合金粉末按照H13 熱作模具鋼材料的合金成分進(jìn)行配制，然后在其中按照質(zhì)量百分比加入0. 5% CeO2,0. 5% MgO,0. 4% CaF2,0. 5B%,0. 3% Nb，0. 25% TiB,0. 2% TiN,0. 2% VN，其余為 Fe，將其組分 原料配比后，放入高能攪拌球磨機(jī)中進(jìn)行攪拌球磨制備成微納米或納米合金粉體；然后在 上述合金粉體中加入5%的水玻璃粘接劑，混合后制成顆?；蚍蹱?，經(jīng)晾干或在50 90度 的溫度下烘干，加入到顆粒下料器中，將經(jīng)過表面清潔加工處理后的工件4放在成型模具7 內(nèi)，將成型模具7固定在底座10上，啟動真空泵對密封罩16內(nèi)進(jìn)行抽真空，使成型模具7內(nèi)的真空度達(dá)到2. 8 X 10-2mmHg，使熔覆過程在真空中進(jìn)行，以減少和消除熔融合金中的氣 體和氣孔，啟動顆粒下料器2將所制備好的含有粘接劑的合金顆?；蚝辖鸱?從成型模具7 的上部以lOOg/mni的流量連續(xù)加入到成型模7內(nèi)，啟動變頻感應(yīng)加熱器8對成型模內(nèi)的合 金顆?；蚝辖鸱?和安裝在成型模具7內(nèi)的工件4進(jìn)行感應(yīng)加熱，變頻感應(yīng)加熱器8的頻率 1500 2000Hz之間進(jìn)行選擇和分段無極調(diào)整，使其達(dá)到熔覆溫度為1000°C 1050°C，通過 熱電偶和溫度控制器對成型模7內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制，使加入到成型模7內(nèi)的合金顆 ?；蚝辖鸱?熔化，并與成型模具7內(nèi)的工件4熔合，形成雙金屬復(fù)合體，啟動升降抽錠設(shè) 備12，將成型模7以90 lOOmm/min的速度向下移動，通過控制顆粒下料器的下料速度和 升降設(shè)備的下降速度，使熔融區(qū)保持在40 50mm高度的范圍內(nèi)，使合金材料熔融和凝固在 成型模內(nèi)的工件4的所需部位上，使熔覆層13與工件4形成冶金結(jié)合，合金材料在成型模 具內(nèi)的凝固自下而上連續(xù)的逐層進(jìn)行，啟動高能超聲波振動器11對熔融合金凝固組織進(jìn) 行振動細(xì)化處理，熔覆完畢后，停止加熱和抽真空，打開成型模具7，即在工件4的所需部位 得到熔覆有30mm厚度的具有抗磨、耐腐蝕的晶粒度為微納米或納米級的合金熔覆層13，從 而制備成晶粒度為微納米或納米級金屬合金的大厚度熔覆層雙金屬復(fù)合材料。實(shí)施例2 在圖2中，與圖1的不同點(diǎn)為感應(yīng)熔覆設(shè)備沒有安裝在真空密封罩內(nèi)。工作開始時，首先將Cr12MoV冷作模具鋼制備成粉末，或采用金屬和合金粉末按照 Cr12MoV冷作模具鋼材料的合金成分進(jìn)行配制，然后在其中按照質(zhì)量百分比加入0. 4% Y3O2， 0. 6%Mg0,0. 5% CaF2,0. 25%Nb,0. 30% TiB,0. 15%TiN,0. 25% VN，其余為 Fe，將其組分原 料配比后，放入高能攪拌球磨機(jī)中進(jìn)行攪拌球磨制備成微納米或納米合金粉體；然后在上 述合金粉體中加入8%的松香油粘接劑，混合后制成顆?；蚍蹱?，經(jīng)晾干或在80度的溫度 下烘干，加入到顆粒下料器中，將經(jīng)過表面清潔加工處理后的工件4放在成型模具7內(nèi)，將 成型模具7固定在底座10上，打開惰性氣體閥門，通過惰性氣體輸送管5向成型模7內(nèi)通入 惰性氣體，使熔覆過程在保護(hù)氣氛中進(jìn)行；以減少和消除熔融合金中的氣體和氣孔，啟動顆 粒下料器2將所制備好的含有粘接劑的合金顆?；蚝辖鸱?從成型模具7的上部以130g/ mni的流量連續(xù)加入到成型模7內(nèi)，啟動變頻感應(yīng)加熱器8對成型模內(nèi)的合金顆?；蚝辖鸱?3和安裝在成型模具7內(nèi)的工件4進(jìn)行感應(yīng)加熱，變頻感應(yīng)加熱器8的頻率在80 IOOkHz 之間進(jìn)行選擇和分段無極調(diào)整，使其達(dá)到熔覆溫度為io5o°c iioo°c，通過熱電偶和溫度 控制器對成型模7內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制，使加入到成型模7內(nèi)的合金顆粒或合金粉3 熔化，并與成型模具7內(nèi)的工件4熔合，形成雙金屬復(fù)合體，啟動升降抽錠設(shè)備12，將成型模 具內(nèi)熔覆好的并已經(jīng)凝固在工件上的雙金屬復(fù)合材料從成型模具內(nèi)以100 llOmm/min的 速度向下抽動，通過控制顆粒下料器的下料速度和升降設(shè)備的下降速度，使熔融區(qū)保持在 30 40mm高度的范圍內(nèi)，使合金材料熔融和凝固在成型模內(nèi)的工件4的所需部位上，使熔 覆層13與工件4形成冶金結(jié)合，合金材料在成型模具內(nèi)的凝固自下而上連續(xù)的逐層進(jìn)行， 啟動高能超聲波振動器11對熔融合金凝固組織進(jìn)行振動細(xì)化處理，熔覆完畢后，停止加熱 和輸入惰性氣體，打開成型模具7，即在工件4的所需部位得到熔覆有20mm厚度的具有抗 磨、耐腐蝕的晶粒度為微納米或納米級的合金熔覆層13，從而制備成晶粒度為微納米或納 米級金屬合金的大厚度熔覆層雙金屬復(fù)合材料。其它過程及設(shè)備與實(shí)施例1相同。略。實(shí)施例3 圖3為真空感應(yīng)熔燒設(shè)備。該設(shè)備由箱蓋17，熔覆層18，工件19，保護(hù)涂料20，變頻感應(yīng)加熱器21，箱體22，制造型砂23，真空泵閥門24，真空泵電機(jī)25，振動器 26組成，變頻感應(yīng)加熱器21安裝在箱體22的內(nèi)部，振動器26安裝在箱體22的底部或側(cè) 部，振動器22為機(jī)械振動或超聲波振動，變頻感應(yīng)加熱器21的頻率可以從200Hz 500kHz 之間分段無極調(diào)整，真空泵安裝在箱體22的任一側(cè)面，通過管道與真空泵閥門24和真空泵 相連結(jié)。工作開始時，首先將高鉻鑄鐵制備成粉末，或采用金屬和合金粉末按照Cr12MoV冷 作模具鋼材料的合金成分進(jìn)行配制，然后在其中按照質(zhì)量百分比加入0. 3% CeO2^O. 2% Υ302、0· 3 % La2O3,0. 7% MgO, 0.5% CaF2,0. 20 % Nb,0. 25% TiB, 0. 15 % TiN, 0. 30 % VN,其 余為Fe，在所述成分的合金粉體中加入質(zhì)量百分比含量為30%的WC和10%的TiC微納米 增強(qiáng)顆粒，將其組分原料配比后，放入高能攪拌球磨機(jī)中進(jìn)行攪拌球磨制備成含有碳化物 增強(qiáng)顆粒的微納米或納米合金粉體；然后在上述合金粉體中加入7%的松香油粘接劑，調(diào) 制成合金料漿或膏體，將工件19表面進(jìn)行除油、去污、噴砂預(yù)加工處理，根據(jù)所熔覆的工件 形狀和尺寸，采用金屬材料制造成相應(yīng)形狀和尺寸的模具，將需熔覆的工件放入模具中，將 調(diào)制成料漿的合金粉體自模具頂部灌入，同時對其進(jìn)行振動，使合金粉體料漿得到緊實(shí)并 消除漿料中的氣泡，澆注完畢后繼續(xù)振動7min，取下模具，脫模后即獲得涂有所需厚度合金 粉體的工件，將工件在90°C的溫度下烘干；將70% SiO2,15%% B2O3' 12. 5% Al2O3，0. 5%% Al粉，2 % MgO混合，加入8 %的水玻璃和9 %的水?dāng)嚢枵{(diào)制成涂料，然后將其涂覆在涂有 合金粉體的工件19表面，使其形成一層厚度為1. Omm的具有高透氣性的保護(hù)涂料20，在 850C的溫度下烘干；在箱體22內(nèi)的底部鋪一層鑄造型砂23，將涂覆有合金粉體和保護(hù)涂 料20的工件19固定在箱體22內(nèi)的所需位置上，然后在箱體22內(nèi)填上鑄造型砂23，將箱 蓋17蓋好密封，啟動振動器26進(jìn)行振動，使箱體22內(nèi)的鑄造型砂23緊實(shí)包裹住工件19， 啟動真空泵電機(jī)25，打開真空泵閥門24對箱體22進(jìn)行抽真空，使箱體22內(nèi)的真空度達(dá)到 2. 5 X 10_2mmHg，啟動變頻感應(yīng)加熱器21對箱體22內(nèi)的涂覆有合金粉體和保護(hù)涂料20的工 件19進(jìn)行感應(yīng)加熱熔燒，變頻感應(yīng)加熱器21的頻率在2500Hz 3000Hz之間進(jìn)行分段無 極調(diào)整，使其達(dá)到熔燒溫度為1000°C 1050°C，通過熱電偶和溫度控制器對箱體22內(nèi)的溫 度進(jìn)行測試和控制，燒結(jié)時間為25min，在熔燒過程中真空泵和振動器不停止對箱體進(jìn)行抽 真空和振動，在達(dá)到所預(yù)定的時間和溫度后停止加熱和抽真空和振動，打開箱蓋17，使箱內(nèi) 溫度下降，待降到200°C后取出工件，即完成整個熔燒周期，即在工件19的所需部位得到熔 覆有15mm厚度的具有抗磨、耐腐蝕的晶粒度為微納米或納米級的合金熔覆層18，從而制備 成晶粒度為微納米或納米級金屬合金的大厚度熔覆層雙金屬復(fù)合材料。其它過程及設(shè)備與實(shí)施例1和2相同。略。
權(quán)利要求
一種微納米合金雙金屬復(fù)合材料制備工藝，其特征在于將各種材質(zhì)的熱作模具鋼、冷作模具鋼、高速工具鋼、高鉻鑄鐵、不銹鋼、耐熱鋼、各種耐磨、耐腐蝕黑色金屬材料、各種有色金屬材料、各種自熔合金的其中之一種制備成粉末，或采用金屬和合金粉末按照上述各種金屬合金材料的成分進(jìn)行配制，然后在其中按照質(zhì)量百分比加入CeO2、Y3O2、La2O3其中之一或二種以上的組合的≤0.8％，0.3 1.5％MgO，0.3 1.8％CaF2，0.0 1.5B％，0.1 0.8％Nb，0.1 1.0％Ti，0.1 2.0的Cr3C2、VC、TaC、ZrC、NbC、HfC、TiB、TiN、NbN、AlN、VN、Ca、Al、Ba、Mg、N元素的其中之一或二種以上的組合體的晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑，將其組分原料配比后，放入高能攪拌球磨機(jī)中進(jìn)行攪拌球磨制備成微納米或納米合金粉體；或在上述成分的合金粉體中加入質(zhì)量百分比含量為1％ 40％的強(qiáng)碳氮硼化物形成合金元素超細(xì)粉體與原位合成碳氮硼化物化學(xué)反應(yīng)所需劑量的C粉，Al粉，CuO2或B2O3或Fe2O3其中之一或二種以上的組合體，經(jīng)混合后放入攪拌球磨機(jī)內(nèi)共同進(jìn)行攪拌球磨，使其在攪拌球磨機(jī)內(nèi)原位合成質(zhì)量百分比含量為1％ 40％的Ti、Nb、V、B、W、Si、Zr的其中之一或二種以上的組合體的碳化物、氮化物、硼化物或碳氮化物顆粒增強(qiáng)的微納米或納米混合粉體；或在所述上述成分的合金粉體中加入質(zhì)量百分比含量為1％ 40％的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或碳氮化物其中之一或組合體的納米顆粒，將其在攪拌球磨機(jī)中通過攪拌球磨工藝制備成含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或碳氮化物其中之一或二種以上的組合體的外加納米顆粒增強(qiáng)的微納米或納米混合粉體；將上述合金粉體的其中之一種加入1％ 8％的水玻璃、松香油或汽油橡膠溶液、樹脂、糊精其中之一或二種以上的組合體粘接劑，混合后制成顆?；蚍蹱睿?jīng)晾干或在50～90度的溫度下烘干，加入到顆粒下料器中，將經(jīng)過表面清潔加工處理后的工件放在成型模具內(nèi)，將成型模具固定在底座上，打開惰性氣體閥門，通過惰性氣體輸送管向成型模內(nèi)通入惰性氣體，使熔覆過程在保護(hù)氣氛中進(jìn)行；或啟動真空泵對密封罩內(nèi)進(jìn)行抽真空，使成型模具內(nèi)的真空度達(dá)到1～3×10 2mmHg，使熔覆過程在真空中進(jìn)行；啟動顆粒下料器將所制備好的含有粘接劑的合金顆?；蚝辖鸱蹚某尚湍５纳喜堪凑账A(yù)定的流量，以5～500g/mni連續(xù)加入到成型模內(nèi)，啟動變頻感應(yīng)加熱器對成型模內(nèi)的合金顆?；蚝辖鸱酆桶惭b在成型模具內(nèi)的工件進(jìn)行感應(yīng)加熱，變頻感應(yīng)加熱器的頻率根據(jù)熔覆工件質(zhì)量和尺寸和熔覆層厚度的不同而在500Hz～300kHz之間進(jìn)行選擇和分段無極調(diào)整，使其達(dá)到熔覆溫度為950℃～1280℃，通過熱電偶和溫度控制器對成型模內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制，使加入到成型模內(nèi)的合金顆?；蚝辖鸱廴刍?，并與成型模具內(nèi)的工件熔合，形成雙金屬復(fù)合體，啟動升降設(shè)備，將成型模以2～150mm/min的速度向下移動，或?qū)⒊尚湍＞邇?nèi)熔覆好的并已經(jīng)凝固在工件上的雙金屬復(fù)合材料從成型模具內(nèi)以2～150mm/min的速度向下抽動，通過控制顆粒下料器的下料速度和升降設(shè)備的下降或抽錠速度，使熔融區(qū)保持在5～50mm高度的范圍內(nèi)，使合金材料熔融和凝固在成型模內(nèi)的工件的所需部位上，使熔覆層與工件形成冶金結(jié)合，合金材料在成型模具內(nèi)的凝固自下而上連續(xù)的逐層進(jìn)行，啟動超聲波振動器對熔融合金凝固組織進(jìn)行振動細(xì)化處理，熔覆完畢后，停止加熱和輸入惰性氣體或抽真空，打開成型模具，即在工件的所需部位得到熔覆有0.1～35mm厚度尺寸的具有抗磨、耐腐蝕、導(dǎo)電或含有自潤滑性能的大厚度的晶粒度為微納米或納米級的合金熔覆層，或含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物的其中之一或二種以上的組合體納米顆粒增強(qiáng)的具有抗磨、耐腐蝕、導(dǎo)電或含有自潤滑性能的大厚度的晶粒度為微納米或納米級的合金熔覆層，制備成大厚度金屬合金覆層雙金屬復(fù)合材料；或?qū)⑸鲜龊辖鸱垠w的其中之一種加入1％ 10％的松香油或汽油橡膠溶液、樹脂、糊精其中之一或二種以上的組合體粘接劑，調(diào)制成合金料漿或膏體，將工件表面進(jìn)行清潔加工處理后，在工件表面刷涂一層松香油或汽油橡膠溶液、樹脂、糊精其中之一或二種以上的組合體的粘接劑，根據(jù)工件形狀和尺寸，采用金屬材料制造成相應(yīng)形狀和尺寸的模具，將工件放入模具中，將調(diào)制成料漿的合金粉體自模具頂部灌入，同時對其進(jìn)行振動，使合金粉體料漿得到緊實(shí)并消除漿料中的氣泡，澆注完畢后繼續(xù)振動1～5min，取下模具，脫模后即獲得涂有所需厚度合金粉體的工件，將工件晾干或在50℃～90℃的溫度下烘干；或?qū)⒄{(diào)制好的合金漿體或膏體，根據(jù)所需涂覆合金層的厚度尺寸以涂抹或噴涂的方式涂熬于工件上，將其晾干或在50℃～90℃的溫度下烘干；將70％～85％SiO2，12％～15％B2O3，8～12％Al2O3，0.5％～2％Al粉，0.5％～2％MgO混合，加入10％～15％的水玻璃和5～10％的水?dāng)嚢枵{(diào)制成涂料，然后將其涂覆在涂有合金粉體的工件表面，使其形成一層厚度為0.8～1.5mm的具有高透氣性的保護(hù)涂料，晾干或烘干；在箱體內(nèi)的底部鋪一層鑄造型砂，將涂覆有合金粉體和保護(hù)涂料的工件固定在箱體內(nèi)的所需位置上，然后在箱體內(nèi)填上鑄造型砂，將箱體密封，啟動振動器進(jìn)行振動，使箱體內(nèi)的鑄造型砂緊實(shí)包裹住工件，啟動真空泵對箱體進(jìn)行抽真空，使箱體內(nèi)的真空度達(dá)到1～3×10 2mmHg，啟動變頻感應(yīng)加熱器對箱體內(nèi)的涂覆有合金粉體和保護(hù)涂料的工件進(jìn)行感應(yīng)加熱熔燒，變頻感應(yīng)加熱器的頻率根據(jù)熔燒工件量的不同而在500Hz～300kHz之間進(jìn)行選擇和分段調(diào)整，使其達(dá)到熔燒溫度為950℃～1280℃，通過熱電偶和溫度控制器對箱體內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制，燒結(jié)時間為10min～50min，在熔燒過程中真空泵和振動器不停止對箱體進(jìn)行抽真空和振動，在達(dá)到所預(yù)定的時間和溫度后停止加熱和抽真空和振動，打開箱蓋，使箱內(nèi)溫度下降到200℃后取出工件，即完成整個熔燒周期，即在工件的所需部位得到熔覆有0.1～35mm厚度尺寸的具有抗磨、耐腐蝕、導(dǎo)電或含有自潤滑性能的大厚度的晶粒度為微納米或納米級的合金熔燒層，或含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物的其中之一或二種以上的組合體納米顆粒增強(qiáng)的具有抗磨、耐腐蝕、導(dǎo)電或含有自潤滑性能的大厚度的晶粒度為微納米或納米級的合金熔燒層，制備成大厚度金屬合金覆層雙金屬復(fù)合材料。
2.一種實(shí)現(xiàn)微納米合金雙金屬復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是該設(shè)備由顆粒下 料器、變頻感應(yīng)加熱器、底座、升降抽錠設(shè)備、惰性氣體輸送管、成型模具、高能超聲波振動 器和真空罩組成，在成型模具的上部安裝有1 6臺顆粒下料器，在成型模具的外部安裝有 變頻感應(yīng)加熱器，在成型模具的下部安裝有底座和升降抽錠設(shè)備，在成型模具的下部或上 部或側(cè)面安裝有高能超聲波振動器，惰性氣體輸送管安裝在成型模具的上部，真空罩對成 型模具設(shè)備進(jìn)行密封，真空泵安裝在真空罩的底部、上部或任一側(cè)面，通過管道與控制閥門 和真空泵相連結(jié)，通過熱電偶和溫度控制器對成型模具內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制；或由箱蓋、工件、變頻感應(yīng)加熱器、鑄造型砂、真空泵、真空泵閥門、管道、振動器和箱體 組成，變頻感應(yīng)加熱器安裝在箱體的內(nèi)部，振動器安裝在箱體的底部或側(cè)部，振動器為機(jī)械 振動或超聲波振動，真空泵安裝在箱體的任一側(cè)面，通過管道與真空泵閥門和真空泵相連 結(jié)，通過熱電偶和溫度控制器對箱體內(nèi)的溫度進(jìn)行測試和控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納米合金雙金屬復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是成型模具根據(jù)所用材料不同而分為耐火材料或石墨材料成型模具，金屬水冷結(jié)晶器成型模 具，在金屬水冷結(jié)晶器的下部設(shè)有進(jìn)水管，在金屬水冷結(jié)晶器的上部設(shè)有出水管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納米合金雙金屬復(fù)合材料制備工藝的設(shè)備，其特征是變 頻感應(yīng)加熱器的頻率可以從500Hz 300kHz之間分段無極調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明為一種微納米合金雙金屬復(fù)合材料制備工藝及設(shè)備，將各種材質(zhì)的耐磨、耐腐蝕黑色金屬材料、有色金屬材料、各種自熔合金的其中之一種制備成粉末，然后在其中按照質(zhì)量百分比加入CeO2、Y3O2、La2O3其中之一或組合的≤0.8％，0.3-1.5％MgO，0.3-1.8％CaF2，0.0-1.5B％，0.1-0.8％Nb，0.1-1.0％Ti，0.1-2.0的晶粒細(xì)化和再結(jié)晶抑制劑，或在其中加入1％-40％的碳化物、氮化物、硼化物的微納米或納米顆粒，放入高能攪拌球磨機(jī)中進(jìn)行攪拌球磨制備成微納米或納米合金粉體。采用變頻感應(yīng)加熱設(shè)備將其在真空或惰性氣體中進(jìn)行熔覆和熔燒，在工件上得到熔覆有0.1～35mm的具有抗磨、耐腐蝕的晶粒度為微納米或納米級的合金熔覆層，制備成雙金屬復(fù)合材料。克服了目前國內(nèi)外各種涂覆工藝所存在的弊端，可以一次完成大厚度熔覆層工件的制備，無需反復(fù)涂覆和燒結(jié)，材料利用率高，加工余量小，制備成本低，制備工藝簡單，生產(chǎn)效率高。
文檔編號B22D27/20GK101898241SQ20101025066
公開日2010年12月1日 申請日期2010年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者丁剛, 丁家偉, 孫健, 強(qiáng)穎懷, 耿德英, 郭長慶 申請人:丁家偉