于淑苗，譚建波

（河北科技大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

消失模鑄造（LostFoamCasting，簡稱LFC）技術是用泡沫塑料做成和零件結構完全相同，尺寸相似的實型模樣，模樣表面涂上耐火涂料，烘干后經(jīng)干砂造型，振動緊實，然后在真空負壓下澆入液體金屬，使模樣受熱氣化，從而使液體金屬代替泡沫摸樣原來的位置，凝固冷卻后得到鑄件的方法。消失模鑄造是目前最有發(fā)展前途的鑄造方法之一，被譽為21世紀的綠色生產(chǎn)方法。

消失模鑄造表面復合材料是將配制好的合金涂料或膏塊粘附在用可發(fā)性聚苯乙烯制成的鑄件模型上，涂刷耐火材料并烘干后，用干砂振動造型。當金屬液充型時，泡沫模樣和合金化涂料層中的有機黏結劑等遇高溫分解氣化，產(chǎn)生的氣體在負壓抽力的作用下從涂層空隙中溢出；高溫金屬液在毛細管力、負壓吸力、鐵液靜壓頭等的作用下，向合金粉末空隙滲入。合金粉末顆粒熔融、分解和擴散，最終與母液結合形成表面具有特殊性能的鑄件。該工藝簡便實用，鑄件設計的靈活性大、鑄件表面平整，可以避免鑄滲工藝中的氣孔和夾渣等缺陷，負壓對泡沫塑料和黏結劑氣化產(chǎn)物的排出十分有效，顯著改善了鑄滲層的質量，較其他鑄滲方法生產(chǎn)成本低，合金層厚度大，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 消失模鑄造鋼基表面復合材料研究現(xiàn)狀

顆粒增強鋼基耐磨表面復合材料，因具備獨特的性能優(yōu)勢而被重視。通過鑄滲法制備顆粒增強鋼基耐磨表面復合材料的工件，是實現(xiàn)其工業(yè)化應用的重要途徑。在顆粒增強鋼基表面復合材料的研究中，采用較多的增強顆粒有SiC、WC、Ni-WC、Cr-Fe等。

1.1 SiC 顆粒增強鋼基表面復合材料

研究表明，SiC粒度、添加劑以及工藝參數(shù)對鑄滲層深度和熔合質量有重要的影響，其中，SiC粒度粒度過大或過小都不能形成理想的復合層，當SiC粒徑為600μm～850μm時可以制備存在明顯的復合層、過渡區(qū)和基體區(qū)的表面復合材料，其復合層中含有高耐磨性的SiC顆粒，且表面平整，分布均勻，界面結合狀況良好[1～3]；黏結劑的種類和加入量對復合層的形成也有重要作用，其中黏結劑種類選擇不合適將直接導致合金涂層在烘干過程中開裂和潰散，無法形成理想的復合層；澆注溫度是能否得到良好的復合層的又一關鍵因素，過低的澆注溫度無法使金屬液完全浸滲合金涂層，而過高的澆注溫度又造成增強顆粒分解和沖散，還會造成合金元素的過度燒損。研究過程中通過組織觀察分析發(fā)現(xiàn)，碳化硅顆粒彌散在復合層中，粒形基本保持完整，分布均勻，與基體構成冶金結合，復合材料性能大大優(yōu)于基體，沖蝕磨損率隨沖蝕角的增大而迅速增大，當沖蝕角達到60°時，沖蝕磨損率達到最大值，隨后其沖蝕磨損率稍有降低[4～8]。

1.2 WC 顆粒增強鋼基表面復合材料

WC顆粒增強鋼基復合材料強度高，表面復合層硬度高，是性能優(yōu)良的耐磨材料[9～12]。研究表明，以不同體積分數(shù)的WC顆粒所制成的復合材料，表面均較平整，碳化鎢顆粒和基體的原始成分都有所改變：WC顆粒均勻分布于復合層中，形成WC和W2C的共晶組織，基體則主要由Fe7C3、Cr7C3、（Cr、Fe）7C3及Fe6W6C組成。過渡層過渡平緩，鑄件表面平整光潔，尺寸精度大為提高。且合金層厚度均勻，可達5 mm～10mm，與基體之間結合良好。硬度和耐磨性都不同程度提高，其中硬度可達60HRC以上，耐磨性可達20%Cr高鉻鑄鐵的2.8～3.30倍[13-16]。

1.3 Ni-WC 顆粒增強鋼基表面復合材料

Ni-WC顆粒與鋼基材料具有優(yōu)異的潤濕性。研究表明，以高錳鋼為基體的復合材料在組織觀察中由表及里明顯分為表面合金層和基體兩個區(qū)域，中間過渡層不明顯。在表面合金層中，Ni-WC顆粒全部熔解，其組織是由大量的條塊狀碳化物，少量細小的類魚骨狀的富鎢碳化物和奧氏體組成，基體組織則呈現(xiàn)為單一奧氏體。在靠近表面合金層的基體區(qū)域中還可以觀察到晶粒內部和晶界上都有碳化物析出。而以45鋼為基體的復合材料在組織觀察中可以看到是由表面復合層、過渡層和基體層3個區(qū)域組成，其表面復合層組織由粗大條塊狀的M3C與M7C3的混合物、細小條狀的WC與W2C的混合物以及樹枝晶體組成；中間過渡層由珠光體窄帶亞層、塊狀珠光體和鐵素體混合亞層組成；基體區(qū)由塊狀珠光體和鐵素體組成[13，14]，且實驗得到的復合層厚度都在5mm以上。

1.4 Cr-Fe 顆粒增強鋼基表面復合材料

Cr-Fe顆粒增強鋼基表面復合材料研究中，多采用L9（34）正交試驗確定合理的合金涂料配方。研究表明：合金粉末的粒度和加入量、合金涂層厚度等因素是制約復合層形成的主要因素，且獲得的表面合金化層由表及里大致可分為燒結區(qū)、過渡區(qū)和熔合區(qū)三個區(qū)域。Cr-Fe顆粒增強鋼基表面復合材料性能表現(xiàn)為外層燒結區(qū)和過渡區(qū)的硬度高、耐磨性好；內層熔合區(qū)綜合性能較好；而基體則呈現(xiàn)高韌性、高塑性。研究獲得的合金化層厚度可達6mm～10mm[17～18]。

2 消失模鑄造鐵基表面復合材料研究現(xiàn)狀

2.1 WC/鐵基表面復合材料

研究表明，工藝等因素是復合層表面質量的重要影響因素，澆注溫度應比澆普通鑄件高，澆注溫度過低，金屬液不能完全熔化助劑原料，使得WC顆粒與機體呈機械結合狀態(tài)，結合強度太低，甚至金屬液流動性不能完成鑄滲，合金涂層易整塊脫落[19-22]。復合材料的磨損性能比高鉻鑄鐵明顯提高，最高可以提高到8.65倍，且隨著載荷和WC顆粒體積分數(shù)的增大，復合材料耐磨性呈升高趨勢。復合材料的抗沖蝕性有很大程度提高，是高鉻鑄鐵的3～4倍，研究證明了增強顆粒的陰影作用、基體材料的支撐作用及二者之間的交互作用，是提高復合材料的抗沖蝕磨損性能的主要原因[23-28]。

2.2 SiC/鐵基表面復合材料

SiC粒子尺寸是消失模鑄滲法制備鑄鐵基表面復合材料的重要影響因素之一。當SiC粒子尺寸為560μm時可以得到良好的復合層，且表面平整，SiC粒子分布均勻。隨著SiC粒度的減小，鑄滲效果明顯變差，當SiC粒度減小到180μm時，已無法得到復合層[30]。另外，增強體粒度、澆注溫度、真空度、抽真空方向、澆注位置、金屬液靜壓頭高度及涂料也對鐵基復合材料滲層質量有重要影響，應選取較大的增強體粒度及金屬液靜壓頭高度，采用底注式澆注系統(tǒng)，并盡量使合金涂層面與抽真空方向同向或避開抽真空方向的影響[31]。復合材料層由網(wǎng)狀碳化物，片狀石墨，珠光體和富Si的鐵素體形成的表面合金化層，極細珠光體窄帶和塊狀的珠光體和鐵素體混合組織組成的中間過渡層及心部基體層三個區(qū)域組成[32-35]。

2.3 Cr-Fe/鐵基表面復合材料

通過對合金化層顯微組織和形成新相分析，可將合金化層由外到內依次分為燒結層、擴散層和基體；且合金層的耐熱抗氧性能明顯高于鑄鐵基體。結果表明，經(jīng)過氧化增重、熱疲勞實驗來確定具有最優(yōu)抗高溫氧化性能的合金化層。還有研究通過建立數(shù)學模型鑄滲過程，鐵水陣輸進行了理論分析給出了鑄滲量與孔道半徑的關系提出了有別于傳統(tǒng)理論的新觀點[36-38]。

3 消失模鑄造鋼鐵基表面復合材料的應用現(xiàn)狀

消失模鑄滲工藝在鑄鋼犁鏵表面合金化的應用中，鑄滲部位與內澆道部位的相對位置對鑄滲質量影響較大，鑄滲部位位于澆口之上可得到較好的鑄滲犁鏵件，犁鏵鑄滲層的硬度是基體的1.7倍，耐磨性是基體的2.97倍[22]。WC增強鐵基耐磨表面復合材料在渣漿泵過流件受磨損面的局部復合應用和渣漿泵過流件抗磨表面的局部復合中，基本實現(xiàn)了在各復雜異型復合部位的整體均勻性，獲得的表面復合材料的耐沖蝕磨損性能是高鉻鑄鐵的2.7倍[19，20，28]；碳化鎢顆粒增強高鉻鑄鐵基表面復合材料在噴射口襯板應用中，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[24]。

4 消失模鑄造鋼鐵基表面復合材料的技術關鍵

4.1 黏結劑的選擇及加入量

黏結劑是保證消失模鑄造表面復合材料成功與否的一個重要因素。黏結劑將合金涂料顆粒粘結在一起，使合金涂層具有一定的強度，并直接涂掛于聚苯乙烯鑄件模型表面，使得在澆注過程中合金涂層不被金屬液沖散，從而形成穩(wěn)定的毛細管和空隙，保證金屬液的滲透和良好鑄滲層的形成。研究表明：黏結劑如果選擇不當，會使合金涂層強度不夠，涂掛烘干過程中合金涂層開裂甚至潰散（如圖1），無法進行澆注或在澆注過程中被沖散，使得復合層不均勻。

目前是用的黏結劑主要有高純黏土，聚乙烯醇，PAF改性淀粉，聚乙烯醇縮丁醛，加入量多為4%～8%（占合金粉重量的百分比）。在保證合金涂層強度的前提下，要嚴格控制黏結劑的加入量。加入量過少，粘結力低，強度差，澆注過程中易被金屬液沖散，不能形成復合層；加入量過多，金屬液不能使其完全分解，燃燒氣化，致使其殘留在復合層中形成夾渣，影響強化效果。

圖1 烘干后試樣

4.2 鑄件厚度與合金涂層厚度比值λ

鑄件厚度與合金涂層厚度之比λ，間接影響表面復合層質量的熱力學條件，是制備理想的表面鑄滲復合層的關鍵技術。研究表明，λ 值較小即合金涂層較薄時，增強顆粒易被金屬液沖散且熔化，不易形成一定厚度的鑄滲復合層；隨著λ 值的增大，金屬液可提供更多的熱量促進熔合，并使鑄滲層較長時間保持高溫狀態(tài)，便于元素擴散，形成理想的表面鑄滲復合層；但是λ 值過大時，合金涂層不能完全被金屬液浸透和熔化，易導致合金層剝落和復合層疏松，且澆注時易形成裂紋。為了獲得質量良好的表面復合材料，應選用用λ 值大于等于10.

4.3 澆注溫度

在消失模鑄造表面復合材料過程中，澆注溫度是影響鑄滲復合質量的又一重要因素。研究表明：消失模鑄造鋼基表面復合材料的澆注溫度多選在1550℃～1600℃，鐵基的澆注溫度則多選在1460℃～1500℃。澆注溫度低時，金屬液降溫迅速凝固也較快，導致金屬液的滲透能力降低，鑄滲層與基體來不及充分擴散，使得交界處結合不致密，且滲層易剝離，難以形成復合層；隨澆注溫度的升高，鑄滲復合層的厚度增加，外表面也變得平整。這是因為，隨著澆注溫度的增高，金屬液降溫所放出的熱量也增加，因此向合金涂層滲透的能力也增大大，同時，也有利于排除合金涂層中的氣體或夾雜物；但是，澆注溫度過高時，鑄滲層復合質量反而下降，即鑄滲復合層變薄，而且復合層厚度也不均勻。這是因為過高的澆注溫度釋放出的熱量將使增強顆粒分解嚴重，被金屬液沖散，脫落。因此，要嚴格控制澆注溫度。

5 結 論

消失模法制備表面復合材料，是一種新型的金屬表面復合材料制備工藝，只是在原有消失模鑄造工藝的基礎上增加了一道特種涂料的涂覆工序，且涂料涂掛操作容易，鑄滲過程中抽負壓，可減少氣孔，并可以生產(chǎn)復雜結構件，另外，根據(jù)鑄件的工況需求，可在鑄件的整體表面或局部任意位置涂刷復合材料涂料，制備出具有特殊要求的消失模鑄件，從而大大提高了消失模鑄件的耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能，降低材料消耗，提高零件的使用壽命，對挖掘不同材料的性能潛力、節(jié)約資源、提高材料利用率、建設資源節(jié)約型社會具有重要的現(xiàn)實意義。

文獻中可以看出國內外在鑄造鋼鐵基表面復合材料的消失模鑄造方面有很多研究，但并未形成穩(wěn)定成熟的技術和工藝，對于合金化鑄滲層的形成機理尚無統(tǒng)一認識，有待進一步研究。

[1]周永欣，趙西城，呂振林，等．消失模鑄滲法制備SiC 顆粒增強鋼基表面復合材料[J］．機械工程材料，2007，31（5）：33-35.

[2]李宏偉，劉建秀，寧向可，等．鋼基耐磨復合材料的真空實型鑄造工藝研究[J］．真空，2009，46（3）：77-81.

[3]Gupta M，Sinha S K．Enhancing strength and ductility of Mg/SIC composites using recrystallization heat treatment[J］.Composite Structures，2006，72（2）：266-272.

[4]Hans B，Birgit W．Development of an abrasion resistant steel composite with in situ TiC particles[J］．WEAR，2001，251：1386-1395.

[5]邢志國，鑄滲法制備SIC 顆粒增強鋼基表面復合材料的研究[D］.西安：西安理工大學，2006.

[6]周永欣.SIC 顆粒增強鋼基表面復合材料的制備及沖蝕磨損性能研究[D］.西安：西安建筑科技大學，2007.

[7]黃汝清，麻日來，呂振林，等．SiC /鋼表面復合材料沖蝕磨損性能研究[J］．鑄造技術，2008，29（11）：1477-1480.

[8]邵建敏，劉建秀．真空實型鑄造鋼基表面復合材料的耐磨沖擊性能研究[J］．機械科學與技術，2008，27（12）：1633-1636.

[9]卓榮明．破碎機錘頭工作面陶瓷復合層的制作工藝及其性能研究[J］．熱熱加工工藝，2009，38（23）：73-75.

[10]李秀兵，寧海霞，方亮．運用復合劑制備WC 顆粒增強鋼基表面復合材料[J］．鑄造，2004，53（2）：93-96.

[11]高紅霞，崔曉康，楊改云．鑄鋼表面消失模鑄滲碳化鎢研究[J］．特種鑄造及有色合金，2010，30（6）：543-545.

[12]Stack M．M，Pena D．Solid Particle erosion of Ni-Cr/WC metal matrix composites at Elevated temperatures .construction of erosion mechanism and process control maps[J］.Wear，1997，203-204：489-497.

[13]高凡．WC 顆粒增強鋼基表層復全材料的熱震實驗研究[D］.昆明：昆明理工大學，2009.

[14]王佳． 合金粉末對WC/鋼基表面復合材料組織和界面的影響[D］.昆明：昆明理工大學，2010.

[15]Lindslay B A，Mander A R．Solid particle erosion of an Fe-Fe3C metal matrix composite [J］．Metallurgical and Materials Transactions，1998，29A（3）：1071-1079.

[16]Lindroos V K．Processing and Properties of Particulate reinforce steel matrix composites [J］．Materials Science and Engineering A．1998，246：221-234.

[17]程軍，郭長慶．消失模法高錳鋼表面合金化工藝的研究[J］．鑄造技術，2007，32（3）：835-837.

[18]紀朝輝，張成軍．消失模鑄鋼件表面合金化鑄滲機理研究[J］．鑄造，2000，49（3）：130-133.

[19]岑啟宏． 碳化鎢顆粒增強鋼鐵基局部復合材料及其應用研究[D］.昆明：昆明理工大學，2001.

[20]Zhu J H． High-Temperature Mechanical Behavior of Ti-6Al-4V Alloy and TiCp/Ti-6Al-4V Composite [J］．Metallurgical And Materilas Transactions A，1999，35（1）：30.

[21]Katzman H A．Fibre coatings for the Fabrication of Graphite-Reinforced Magnesium Composites [J］．Journal of Materials Science，1987, 22（1）：144-148.

[22]高紅霞，崔曉庶，海偉，等．犁鏵表面耐磨層的消失模鑄滲工藝研究[J］．鑄造技術，2010，31（9）：1205-1208.

[23]李祖來．V-EPC 制備鐵基表面耐磨復合材料[D］.昆明：昆明理工大學，2004.

[24]劉旋．澆注溫度對消失模真空鑄造鑄滲效果的影響[J］.現(xiàn)代鑄鐵，2010（6）：49-52.

[25]祁小群，李秀兵，高義民．WC 顆粒增強高鉻鑄鐵基表面復合材料噴射口襯板的研制．鑄造技術[J］.2002，23（5）：282-284.

[26]李祖來，蔣業(yè)華，葉小梅，等．WC 在WC/灰鑄鐵復合材料基體中的溶解[J］．復合材料學報，2007，24（2）：13-17.

[27]梁作儉，邢建東，鮑崇高，等．碳化鎢/鐵基鑄造復合材料的抗沖蝕磨損性能[J］．鑄造，2000，49（5）：265-267.

[28]蔣業(yè)華，周榮，盧德宏，等.渣漿泵用WC/鐵基表面復合材料的研究[J］．鑄造，2002，51（3）：170-172.

[29]LIU Jian-xiu，MiLi-ping，GAO Hong-xia．The structures and abrasive wear resistance of ironmatrix particle composites[J］．Natural Science，2007.6，22（2/3）：113-115，122.

[30]金漢，呂振林，周永欣，等．V-EPC 法制備SiC 顆粒增強鑄鐵基表面復合材料[J］．鑄造技術，2011，32（3）：325-327.

[31]夏亞鋒，張元好，丁潔淼．V-EPC 鑄滲鐵基復合材料的研究[J］．特種鑄造及有色合金，2001（2）：32-33.

[32]高紅霞，商全義，劉建秀，等．用V-EPC 法制備表面耐磨鑄鐵的組織與性能研究[J］.鑄造，2006，55（10）：1040-1042

[33]米麗萍，劉建秀，高紅霞．SiC 顆粒／鑄鐵表面耐磨復合材料的試驗研究[J］．煤礦機械，2006，27（3）：420-422.

[34]高紅霞，海偉，劉建秀，等，消失模鑄滲SiC-Cr-RE 耐磨鑄鐵[J］．材料科學與工程學報，2010，28（6）：938-941.

[35]郭長慶，王琦環(huán)，程軍．SiC 表面合金化ZG45 鋼的組織觀察[J］．鑄造，2010，59（2）：182-184.

[36]紀朝輝，張成軍．消失模鑄件表面合金化的研究[J］．中國表面工程，1999（4）：25-28.

[37]王文蘭．EPC 鑄滲-鑄鐵基表面合金層組織與耐熱性能的研究[D］.吉林：吉林大學，2009.

[38]陳碩.消失模鑄滲鑄鐵表面合金化組織與性能的研究[D］.吉林：吉林大學，2010.