摘 要：铸渗法用于制备金属表面涂层可明显提高材料的耐磨损耐腐蚀性能。 介绍了铸渗涂层的制备技术、涂层类别及其优缺点，总结了该技术制备保护涂层的国内外最新研究进展，并对其发展前景进行了展望。
关键词： 铸渗法；表面涂层；耐磨损耐腐蚀
由于零部件的破坏往往从表面开始， 表面的局部破坏又会导致零件的整体失效，因此，表层的物理化学性能对材料的许多重要性能，如强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等都具有决定性的作用。 采用涂层技术可使基材表面获得整体材料很难具备的特殊成分与结构，如超细晶粒、非晶态、超饱和固溶体、多重结构、多相弥散结构等，相应具备整体材料很难得到的特殊性能[1]。 同时又极大地降低产品的生产成本，达到使用极少量的材料起到大量、昂贵的整体结构材料所起到的作用。铸渗法是将合金粉末或陶瓷颗粒等预先固定在铸型的特定位置，在液态金属浇注过程中，其与液态金属作用在铸件表面形成具有特殊组织和性能的一种材料表面复合技术[2-3]。 作为一种材料表面强化技术，采用铸渗法无需增加新设备，无需另外消耗能源；工艺过程简单，生产周期短，操作简便易行，而且可以对各种规格型号、各种复杂结构和形状的钢质铸造零件进行表面涂层加工处理；铸渗层的厚度、成分、组织可以根据性能要求在一定范围内进行设计[4-5]。因此，该技术目前受到国内外材料学专家和表面工程技术人员的广泛关注。
1 铸渗法涂层制备技术
铸渗技术也称为涂敷铸造或浸渗工艺，是将合金粉末或陶瓷颗粒预先固定在型腔的特定位置，通过浇注使铸件表面具有特殊组织与性能的一种材料表面强化处理技术，此法是 1913 年美国人 Davis创立的，在 20 世纪 70 年代发展极为迅速[6-7]。
1.1 铸渗涂层制备原理
铸渗法制备金属表面涂层的基本思路是将合金粉末或陶瓷颗粒等预先涂敷固定在铸模型腔的特定位置，浇注时，让金属液通过孔隙渗透到合金涂层内，包围合金颗粒，在熔剂和其他添加剂的共同作用下， 通过一系列冶金反应在原涂层所在位置形成合金化层， 实现冶金结合， 铸件冷却凝固时， 在铸件表面形成具有耐磨抗腐蚀性能的覆盖层。 该技术的关键是金属液向涂层内的渗透[8-10]。
1.2 铸渗涂层制备工艺
利用铸渗法制备金属表面涂层主要包括涂敷料浆的制备、料浆涂敷技术和浇注系统的设计等。
（1）涂敷料浆的制备 将原料粉末按照计算配比混料，并添加一定的粘结剂、还原剂与熔剂等制成稳定悬浮的料浆。 铸渗法制备的金属表面涂层质量与合金粉末的粒度有关， 如果铸渗剂粒度过大，容易使物料反应不完全，且容易脱落；如果过小则烧损严重，均影响到铸渗层的厚度与性能，一般采用的原料粉末粒度在 200～300 目之间为宜。粘结剂的作用是铸渗料浆涂敷于铸型表面后将铸渗合金粉末颗粒粘结在一起， 并粘结在铸型表面，而且干燥后具有一定的强度，以免在浇注过程中被高温钢水冲散；同时干燥后的涂层中形成一定的毛细管孔隙，使得浇注金属液可渗透涂层[11]。 还原剂的作用是使铸渗原料粉末在浇注时不受氧化，并去除氧化膜，清洁合金颗粒表面，常用的还原剂主要是活性炭粉。 熔剂则主要采用硼砂、NaF等，由于 NaF 密度较小，铸造时能带动渣料上浮，有利于排渣[12]，同时 NaF 还是一种表面活性剂[13]，可减小钢水的表面张力， 促进钢水向原料涂层的渗透，有利于形成组织致密的铸渗层，使铸渗层厚度增加，并提高钢基体与铸渗层的结合强度。
（2 ）涂敷工艺 涂敷之前，应首先清洁铸型表面，然后用排刷涂刷一层锆英砂料浆，防止铸件出现粘砂现象。点火干燥并降至室温后，将铸渗层原料料浆涂敷在铸模型腔表面。 涂刷过程根据铸渗层厚度需要分多次进行， 每次涂刷都应在上次涂刷的料浆层基本干燥后进行， 并注意两次涂刷操作间隔的时间不要太长， 以保证整个铸渗原料层为一个连续的整体，防止出现分层现象[14]。
（3）浇注系统设计 浇注系统的设计作为铸渗技术的主要研究内容， 对渗层的质量具有较大的影响，主要包括浇注温度、浇注方式、浇注工艺等。浇注温度是制约渗层质量的主要因素，当其它因素不变时，随浇注温度的提高渗层质量提高，表现为渗层厚度增加，渗层外表面平整。但浇注温度过高，渗剂元素烧损严重，基体晶粒粗大，同时合金涂料也容易被浇注金属液冲散。 而浇注温度过低，合金涂层得不到足够的热量，融合强度低，渗层容易脱落， 扩散层较薄甚至不能形成扩散层。同时浇注温度低也使得金属液流动性差， 造成金属液渗透能力下降， 导致金属液不易与合金颗粒熔合，常出现气孔、夹渣等缺陷。 在浇注时应避免钢液直接冲刷涂料层，采用底注式浇注系统[15]。 铸型制成后，应进行烘干处理。为了进一步改善渗层与基体的结合性能并提高渗层质量， 近年来又发展了诸多新的铸渗浇注工艺， 主要包括， 压力铸渗、离心铸渗、真空实型负压铸渗（V-EPC）等。
2 铸渗法制备涂层分类
2.1 碳化物涂层
SiC、WC、TiC 等碳化物具有较高的硬度和很好的耐摩擦磨损与耐腐蚀性能， 能大幅度提高金属基体表面的耐磨损性能， 提高机械零件的使用寿命。 其中铸渗制备 WC 涂层的性能更佳。
WC 为黑色六方晶体，在 WC 晶体中，碳原子嵌入钨金属晶格的间隙， 并不破坏原有金属的晶格，形成填隙固溶体，因此 WC 具有较好的化学稳定性、高硬度与高耐磨性能，常被用来制备金属基表面涂层。 李祖来等[16]用单一的 WC 颗粒为预置体，以 HT300 为金属基体，通过对铸渗温度场测试及差热分析等测试手段， 研究了真空实型负压铸渗的铸渗过程， 提出了物质流和能量流协调作用的模型，并根据该模型指出，要达到理想的铸渗效果，预置体中的温度高于 1281℃是获得理想铸渗层的必要条件。 陈跃等[17]采用 CO2水玻璃砂型铸渗工艺制备了碳化钨 / 高铬铸铁复合铸渗层试样，研究了 WC 颗粒含量与粒度、工艺参数对铸渗层耐磨性的影响， 发现在渗剂中加入 60~80目质量分数为 20%的碳化钨颗粒和 40%的高铬铸铁粉获得的铸渗层耐磨性能最佳。 李珍等[18]采用普通铸渗工艺，在铸钢表面获得了一层均匀、耐磨且与母材为冶金结合的高铬铸铁基 WC 粒子增强涂层。 研究了含有不同量 WC 的复合材料的冲击磨损性能，并分析了其磨损机理。 发现当 WC的质量分数在 20%~30%时冲击磨损性能最好。
SiC 具有高的硬度及良好的耐磨耐腐蚀性，并且价格低廉，因而用其来增强金属基体的性能已引起国内外材料工作者的极大兴趣并在这方面作了许多研究工作，取得了很大进展。周永欣等[19-20]采用铸渗法成功制备了 SiC 颗粒增强钢基表面复合材料，对其进行了热力学与动力学分析，热力学分析表明采用 V-EPC 铸渗法制备 SiC 颗粒增强钢基表面复合材料时， 在钢水浇注过程中碳化硅粒子会发生分解。 通过改变试验条件和工艺方案而影响其反应动力学， 可以延缓和阻止碳化硅分解速度， 可成功制备出 SiC颗粒增强钢基表面复合材料。 通过对复合材料中 SiC 粒子与钢基体界面结合的形态、粒子行为、界面结合机制进行分析，发现 SiC 粒子与钢基体的界面结合为冶金结合。
TiC 颗粒具有很高的硬度和热稳定性， 是铁基复合材料理想的增强相。 王一三等[21]运用新的铸造烧结技术，在铸钢件表面实现快速液相烧结，原位生成了厚度为 3mm 的 TiC 颗粒增强铁基表面复合材料层。 原位生成的 TiC 颗粒大小为 1~6μm，其体积分数为 25.86%。
2.2 硼化物涂层
硼化物组织具有很高的硬度、耐磨性，以及良好的耐蚀性、红硬性和抗高温氧化性。但目前有关在金属基体表面铸渗硼化物层的研究还少见报道。 宋月鹏等[22]利用铸渗工艺在铸件表面形成一层硬度较高耐磨性较好的硼化物层， 研究发现在铸渗硼剂中加入铜粉可使硼化物层致密， 并减少铸渗硼层内缩孔、气孔等缺陷。 李长林等[23]采用均匀设计法对铸渗硼涂料的配比进行了研究， 得出铸渗涂料最佳配方，并在灰口铸铁 HT200 表面获得一层 3mm 左右的耐磨复合层。 作者经过前期的大量研究工作， 采用反应铸渗法在钢基体表面制备一层三元硼化物硬质涂层材料；研究发现，涂层与钢基体在界面结合处实现了合金元素的扩散与渗透，并且两者形成了良好的冶金结合[15]。
2.3 复合涂层
制备多组分复合铸渗涂层可以克服单一组分涂层的局限性，更好的提高铸渗涂层性能。目前多组分复合涂层的研究主要集中在铸渗陶瓷颗粒与合金粉的范围。 李祖来等[16]用 WC 和高碳铬铁混合颗粒作为复合铸渗剂， 并以 HT300 为金属基体， 研究了铸渗层的形成机理与过程， 认为HT300 母液的渗透作用即物质流的传递是形成良好的铸渗层的必要条件。
3 铸渗技术的新发展
铸渗法用于保护涂层可明显提高材料在各种工作环境下的耐磨损、耐腐蚀性能，并随着铸渗技术的进一步发展， 为了进一步改善渗层与基体的结合性能并提高渗层质量， 在普通重力场铸渗的研究基础上， 逐渐发展了包括压力铸渗、 离心铸渗、负压铸渗、铸造烧结等新技术。
3.1 压力铸渗
压力铸渗工艺[24]是将预制的粉末或粉末压制的坯体放到预热过的压铸模具中， 然后浇注高温液态金属，并在金属液面上施加压力，使金属液渗入到压坯中，形成复合材料。压力铸渗的优点是能增加复合层厚度，提高复合层的质量，即使增强相颗粒与基体材料润湿性较差， 金属液仍能够渗透预制坯体，并制备出一定厚度的铸渗复合层，其缺点是需要相应的设备和模具，成本投入高，生产周期长，尤其不适宜钢铁这样的高熔点合金。
3.2 离心铸渗
离心铸渗[25]是指在旋转的型腔内壁预制粉末涂层，然后浇入液态金属，金属液在离心力作用下渗入到粉末层， 凝固后得到管状或环状金属基渗复合层。 王玉玮等人[26]利用离心力使铁液渗入SiC 粒子预制型中， 凝固后得到 SiC 颗粒强化的铁基表面复合材料。 其工艺过程是在高速旋转的离心机铸型中， 靠离心力将 SiC 颗粒均匀地分布于型壁， 形成具有一定厚度和紧实率的颗粒预成型套，然后注入铁水，在离心力的作用下铁水渗入颗粒的间隙， 凝固后得到颗粒增强的铁基复合材料外层。 离心铸渗的缺点是其仅限于在旋转体表面制备铸渗涂层，而无法制备表面复杂的零件。
3.3 负压铸渗
负压铸渗又称为真空吸铸[27]，型腔内的负压较好的固定了合金粉末使之不被冲散， 浇注的金属液通过与合金粉末的紧密接触， 强化了金属液向合金粉末的渗透能力，加深了铸渗层的厚度。负压铸渗在普通型腔负压铸渗的基础上进一步发展了真空实型负压铸渗（V-EPC 铸渗）。 由于 V-EPC铸渗工艺简单，成品率高，获得的铸件无飞边、毛刺等，铸件表面质量与尺寸精确度高，使用不含任何粘结剂的干砂，砂的回用率高，且减少了污染，并能显著改善工人的劳动条件， 近年来得到较快的发展，为广大表面工程专家所重视[28-29]。
3.4 铸造烧结
铸造烧结技术是一种制备金属基表面复合材料的方法，是在综合铸渗技术和粉末冶金技术优点的基础上提出的制备表面复合材料的新技术[30-31]。
利用浇注过程高温钢液或铁液的热量， 使位于铸型表面含有碳化物或其它合金粉坯块发生高温合成反应，原位生成大量微细硬质相颗粒，同时坯体快速烧结致密化， 铸件凝固冷却后在表面得到厚度稳定含有大量硬质颗粒增强相的表面复合材料。 四川大学利用该工艺制备了 TiC 增强的表面复合材料[32-33]。 其工艺流程为：首先根据要求配制合金粉料， 然后将粉料压制成具有较高密度的压坯，第三步将压坯放置在制备好的铸型内，最后将金属液浇入铸型，当金属凝固后，复合材料压坯完成烧结和致密化， 并与铸件母体发生冶金结合而成为一体。采用此方法，根据工件的结构特点可以制备表面复合层厚度为 3～10mm 的工件。
4 结束语与展望
随着铸渗技术的发展， 新的铸渗技术不断涌现，铸渗应用领域也不断拓展。 在研究初期，铸渗技术主要应用于铸钢、铸铁件，提高其表面耐磨、耐蚀、耐高温等性能。 近年来，铸渗技术的研究已拓展到了铜合金领域， 并且铸渗层的原料组分也由最初的单一合金组分向陶瓷颗粒与合金粉的复合组分扩展。另外，铸渗技术作为制备金属基表面复合材料的一种新工艺， 与其它表面涂层技术相比，具有很多优势，因而具有广阔的应用前景。 但目前还存在诸如冲刷、气孔、夹渣、渗层深度不均匀、渗透能力差、生产工艺不易控制等问题，制约了铸渗技术的推广和应用。 对铸渗层的形成机理包括铸渗层形成过程中热力学、 动力学原理和铸渗层凝固过程的控制等还须进一步研究和探讨。
参考文献略
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