具有原位内生表面金属 陶瓷层的铸件及其制备方法 一、技术领域
本发明属于金属表层金属陶瓷化技术领域，具体涉及一种具有原位内生表面金属陶瓷层的铸件及其制备方法。
二、背景技术
陶瓷材料是继金属材料和高分子材料之后的第三代材料，具有很好的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性，但由于过高的成本和极低的韧性限制了它的应用。为了改善陶瓷材料的韧性，人们开始用少量金属将主相陶瓷粘结在一起形成了一种金属陶瓷的硬质材料。这种材料在保持了陶瓷固有的良好耐磨性的同时，由于有金属相地加入，其韧性也有了大幅度的提高，但由于其成型方法仅限于粉末冶金法(李荣久主编，陶瓷—金属复合材料，1995年，冶金工业出版社，北京)，故其生产成本高，只适于制造形状简单、尺寸较小的产品，如切削刀具、钻探工具等。此外，粉末冶金法制造的金属陶瓷是一种整体材料，虽然金属相的加入提高了其韧性，但由于其主相为陶瓷相，故其韧性仍比传统的钢铁材料差。
为了克服金属陶瓷整体材料存在的缺陷，同时充分发挥金属材料热稳定性好、强度和韧性高的特性，工程技术人员又研究开发出金属表面金属陶瓷化产品，即在作为母体的金属材料表面形成一层金属陶瓷层，以满足构件在使用中所需要的表面优异耐磨、内在韧性高的要求。目前能制造这种产品的方法只有热喷涂法(谭昌瑶、王钧石主编，《实用表面工程技术》，1998年5月，新时代出版社，北京)。热喷涂法由于方法本身的特点所致，其所用的陶瓷是外加的特殊陶瓷粉，价格非常昂贵；产品表面层与母体难以形成牢固的冶金结合；表面层较薄，不能根据需要变化且易氧化和形成气孔；生产工序多，成本高；不适于大批量生产。
三、发明内容
本发明的目的是克服已有技术存在的缺陷，提供一种具有原位内生表面金属陶瓷层的铸件。本发明的另一目的是提供一种制备具有原位内生表面金属陶瓷层铸件的方法。
本发明提供的具有原位内生表面金属陶瓷层的铸件，其母体为钢或铁，表面为金属陶瓷层，其特征在于铸件表面金属陶瓷层是利用铸造浇注的高温钢水或铁水的热量使固定于铸型表面的粉料压坯发生原位内生反应而获得的，其表面形成的金属陶瓷层中的陶瓷颗粒的体积百分数＞40％，而且其厚度可根据铸件壁厚和使用的需要在0.5～12毫米范围内调整控制。
本发明提供的具有原位内生表面金属陶瓷层铸件的制备方法，是融合了粉末冶金、铸造和高温自蔓延的优点，在铸造生产过程中，直接在铸件表面生成所需厚度的金属陶瓷层。具体来说是利用铸造浇注时高温钢水或铁水的热量使型腔表面的粉料压坯发生高温化学反应，原位生成大量碳化物陶瓷颗粒，同时放出热量促使压坯烧结致密化，并实现与铸件母体牢固的冶金结合，最终在铸件表面形成金属陶瓷层。其工艺步骤为制造铸型、制造压坯、压坯预烧结脱胶处理、压坯固定、熔炼钢水或铁水、浇注和烧结，其特征在于：
(1)制造压坯的粉料为粒度≤50微米的原位内生组分，含量40～80％(重量)和粒度≤50微米的填料组分，含量20～60％(重量)；
(2)在制造压坯前将粉料放入还原炉内，通入氢气或分解氨气，在600～1000℃下进行还原，时间0.5～8小时。
其中所用的原位内生组分含C 4～20％及Ti 10～80％，V 10～75％，W 10～70％，Nb15～75％(均为重量百分比)中的至少一种。
所用的填料组分含Cr 1～35％，Ni 3～30％，Mo 1～30％，Fe 5～35％及TiC、WC、镍包ZrO2、镍包Al2O3中的任一种，含量25～75％(均为重量百分比)。
本发明具有以下优点：
1、本发明提供的具有原位内生表面金属陶瓷层的铸件，由于在铸件的工作表面含有＞40％的陶瓷相，因此该铸件的耐磨性比其它金属材料有大幅度的提升，而且陶瓷相主要是由原位内生反应获得的，成本既可大幅降低，又能与铸件母体形成牢固的冶金结合。
2、本发明提供的具有原位内生表面金属陶瓷层的铸件，由于其表面金属陶瓷层是通过铸造过程浇注的钢水或铁水的热量使固定于铸型表面的压坯发生原位内生反应获得的，故其表面层的厚度可根据铸件壁厚和使用要求的不同，在0.5～12毫米内变化，这是目前热喷涂法无法达到的，而且表面平整，质量好。
3、由于本发明在制造压坯前对粉料进行了还原处理，不仅大大降低了粉料的含氧量，改善了粉料的压制性能，而且还避免了因粉料氧含量过高在表面层产生的气孔、夹杂等缺陷。
4、由于本发明是利用铸造过程浇注的钢水或铁水的热量，在铸型表面的压坯中激发原位内生反应，并利用反应放出的热量促进实现压坯烧结致密化和与母体的牢固冶金结合，整个过程在铸造时一次完成，因此可克服热喷涂法的不足，适合大批量生产各种形状的铸件，工序少，生产周期短，成本低，而且不需要昂贵的设备。
5、由于本发明只在铸件需要耐磨、耐热的表面生成金属陶瓷层，而铸件本体和其它部位仍为价廉的普通中、低碳钢、低合金钢、球墨铸铁或灰铸铁，因而与整体陶瓷材料相比，不仅可节省大量昂贵的陶瓷粉，而且其铸件的韧性高、综合性能好，可达到外硬内韧，能满足在高温、高速和剧烈磨损工况下工作的要求。
6、由于本发明能够在铸造过程中，直接在铸钢件或铸铁件表面原位内生金属陶瓷层，因而为铸件表面金属陶瓷化开辟了一条新的途径。
四、具体实施方式
下面给出的实施例是对本发明的具体描述和进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1～8：
(1)制造铸型 用常规的水玻璃砂或粘土砂或树脂砂按常规方法制造铸型。
(2)制造压坯 按表1、2、3对应所列各实施例的组分、品种配比，且粒度≤50微米的各种粉料一起置于球磨机中或其它混合机中混匀或/和进一步磨细；再置于氢气或分解氨气还原炉内，在温度600～1000℃下还原处理0.5～8小时；然后加入2～12％的粘结剂，混匀后装入金属模具在液压机上，压制成0.5～12毫米的压坯。
(3)压坯预烧结脱胶处理 将压坯置于真空烧结炉或还原气氛烧结炉中，在温度500～1400℃下进行预烧结脱胶处理。
(4)压坯固定 将冷却后的压坯用粘结剂或钢丝固定在铸型表面，再合箱等待浇注。
(5)熔炼钢水或铁水 将相应炉料在电弧炉或感应电炉中按常规方法熔炼钢水或铁水，并进行相应的处理。
(6)浇注和烧结 将高温钢水或铁水浇入铸型，浇注温度1400～1600℃，并利用其热量完成压坯原位内生反应和烧结致密化。
表1
表2
表3