CN100479949C - SiC/钢基表面复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的SiC/钢基表面复合材料的制备方法，按比例将SiC颗粒、粘结剂、添加剂、净化剂以及辅料，机械混合均匀加入适量酒精后，制成SiC预制膏状；再将该SiC膏状在中碳钢的基材上采用负压铸渗的方法制备SiC/钢表面复合材料。该方法工艺简单、成本低廉，得到的复合材料韧性、强度好，而且具有好的耐蚀性能，尤其适用作为低应力磨料冲蚀磨损工况下的表面复合耐磨材质。

Description

SiC/钢基表面复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种表面复合耐冲蚀磨损材料的制备方法，具体涉及一种SiC/钢基表面复合材料的制备方法。

背景技术

磨损是机械零件失效的主要形式之一，磨料磨损相应占到材料磨损的50％。在磨料磨损中，低应力冲蚀磨损又占到一定比例。低应力冲蚀磨损广泛存在于现代工业生产中，如矿山、电厂等灰浆泵过流部件和管道及阀门的磨损。这些易磨损件在工作过程中不但承受固体粒子的冲蚀与切削作用，而且还要承受液体介质的腐蚀作用及高温的作用，工作环境极其恶劣，因而使这些耐磨件的使用寿命较低。

目前在工矿企业中常用冲蚀磨损的耐磨材料有：白口铸铁、耐磨钢、有色合金、陶瓷、塑料橡胶等几大类别。这些材料往往使硬度、韧性、高温强度、抗氧化腐蚀性、耐热性等性能的配合不尽人意，而且有些性能的提高也非常有限。对于变化的复杂冲蚀磨损工况，其耐磨耐热耐腐蚀性难以取得突破性进展。

目前，渣浆泵比较广泛使用的材料是高铬铸铁，高铬铸铁具有较高的硬度，以及一定的抗腐蚀能力，在渣浆泵上使用取得一定的成效。但随着实际工况生产量的加大，以及渣浆泵向大型化的发展，液体浆料的输送速度增加，渣浆泵的磨损也就愈严重。高铬铸铁难以抵抗高速固体粒子的冲蚀磨损和液体介质引起的腐蚀和气蚀。因此，高铬铸铁作为渣浆泵过流部件材料并不是十分理想的材料。

有色合金类、陶瓷类、塑料橡胶类耐磨材料，近年有所发展。但从实际应用情况来看，都存在某些方面的不足之处，如：陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性和高温抗氧化性，非常适用于低应力磨损条件下的使用，但是由于陶瓷材料制备、加工困难，生产成本高，以及脆性大的特点，使其应用受到限制。

钢铁金属有很好的可加工性、韧性和强度，陶瓷材料有高的硬度和好的耐蚀性能，为了发挥金属和陶瓷的各自优点，将陶瓷材料和金属材料复合形成表面复合材料，既充分发挥各自材料的性能，又可以人为地针对不同工况条件进行材料性能和结构的设计，是低应力磨损条件下耐磨材料的一个发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SiC/钢基表面复合材料的制备方法，该方法得到的SiC/钢基表面复合材料，不仅具有金属很好的可加工性、韧性和强度，还具有陶瓷材料高的硬度和好的耐蚀性能。

本发明所采用的技术方案是，SiC/钢基表面复合材料的制备方法，按以下步骤进行，

步骤1，选择各组份为：

粒度为550～850μm的SiC颗粒，

粘结剂为高纯粘土或水玻璃，占SiC颗粒的质量比为1.5％～5％，

净化剂为硼酸，占SiC颗粒的质量比为1.0％～5％，

添加剂为氟化钠，占SiC颗粒的质量比为1.0％～3％，

辅料为PVC粒子，占SiC颗粒的质量比为3％～6％；

步骤2，配制SiC预制膏块，

将上步选好的SiC颗粒、粘结剂、添加剂、净化剂以及辅料，机械混合均匀后，再加入适量酒精，机械混合均匀后，制成糊状SiC预制膏状；

步骤3，选用泡沫塑料作基材，将上步制得的SiC预制膏状涂覆并压制在基材上，涂敷厚度1～8mm，然后在60℃～80℃温度下烘烤，待干燥后，采取浸涂和刷涂相结合的方式对基材所有表面涂敷消失模用钢基快干涂料，涂料厚度1mm左右并充分低温干燥；

步骤4，在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1550℃～1650℃，将上步制备好的模块放入砂型，震实、抽真空，真空度为0.056～0.058MPa，并进行浇注，浇注完毕继续抽真空2～10min，冷却后开箱、落砂及清理，即得到SiC/钢基表面复合材料。

本发明的特点还在于，

上述步骤3中，基材厚度与预制膏块厚度之比λ为4～8。

本发明以广泛应用的钢铁材料为基体，SiC粒子作为增强相，采用消失模铸渗法制备SiC/钢基表面复合材料，开发铸渗复合工艺简单、成本低廉、适用于低应力磨料冲蚀磨损工况下使用的表面复合耐磨材质。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明方法制备的SiC/钢基表面复合材料宏观形貌；

图3是本发明方法制备的SiC/钢基表面复合材料横截面宏观形貌；

图4是铸渗表面复合层的影响，其中，a是λ＝8，b是λ＝6，c是λ＝4，d是λ＝2，

图5是本发明方法制备的SiC/钢基表层复合材料的界面形貌，

图6是为铸渗复合层组织SEM照片；

图7是不同冲蚀角下磨损试样的相对耐磨性曲线图。

图中，1为复合区，2为过渡区，3为基体区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

为了解决碳化硅粒子遇到高温钢水分解给表面复合材料制备带来的难点，本发明提出通过粘结剂及添加剂等的改性，组配的选择，在碳化硅粒子表面形成涂覆保护层的方法，在钢液铸渗过程中使SiC粒子和钢界面间形成过渡层，即能防止SiC粒子遇钢液分解，又可增强SiC粒子与钢基体的结合强度的。

如图1所示，本发明方法按以下步骤进行，

步骤1，选择各组份为：粒度为550～850μm的SiC颗粒，粘结剂为高纯粘土或水玻璃，占SiC颗粒的质量比为1.5％～5％，净化剂为硼酸，占SiC颗粒的质量比为1.0％～5％，添加剂为氟化钠，占SiC颗粒的质量比为1.0％～3％，辅料为PVC粒子，占SiC颗粒的质量比为3％～6％；

步骤2，配制SiC预制膏块，

将上步选好的SiC颗粒、粘结剂、添加剂、净化剂以及辅料，机械混合均匀后，再加入适量酒精，机械混合均匀后，制成糊状SiC预制膏状；

步骤3，选用泡沫塑料作基材，将上步制得的SiC预制膏状涂覆并压制在基材上，涂敷厚度1～8mm，然后在60℃～80℃温度下烘烤，待干燥后，采取浸涂和刷涂相结合的方式对基材所有表面涂敷消失模用钢基快干涂料，涂料厚度1mm左右并充分低温干燥；

步骤4，在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1550℃～1650℃，将上步制备好的模块放入砂型，震实、抽真空，真空度为0.056～0.058MPa，并进行浇注，浇注完毕继续抽真空2～10min，冷却后开箱、落砂及清理，即得到SiC/钢基表面复合材料。

SiC/钢基表面复合材料特征：SiC粒子很好的镶嵌在钢基体中，SiC粒子不仅粒子较大，数量较多而且排列比较紧密，无聚团现象，SiC粒子周围充满了钢基体，呈冶金结合状态。钢表面铸渗复合层的主要组织为SiC粒子+钢基体+石墨，钢基体主要为铁素体。

本发明的制备方法得到的表面复合耐冲蚀磨损材料，尤其在低应力冲蚀磨损工况下，矿山、电厂、煤厂等渣浆泵、泥浆泵、灰浆泵等过流部件和管道及阀门材质的应用。

以下以具体实例对本发明进行说明。

下表是实施例1、2、3中给出的SiC涂敷预制膏块的配方

以上各组分均占SiC颗粒的质量份数。

实施例1

以35钢为基体，增强颗粒粒度为650～850μm的SiC增强颗粒；按组方1的比例在SiC增强颗粒中分别加入高纯粘土、氟化钠、硼酸和PVC粒子，机械混合均匀后，再加入适量酒精，机械混合均匀后，制成糊状SiC预制膏状；将SiC预制膏状涂覆并压制在泡沫塑料模型表面(钢需要复合的表面)，涂敷厚度为1mm，然后在60℃下进行烘烤，待干燥后，采取浸涂和刷涂相结合方式对模样所有表面涂敷消失模用钢基快干涂料防止粘砂，涂料厚度1mm左右并充分低温干燥；在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1650℃，将制备好的模块样放入砂型，震实、抽真空，真空度为0.058MPa并进行浇注，浇注完毕继续抽真空2～10min，冷却后开箱、落砂及清理，即得。

实施例2

以35钢为基体，增强颗粒粒度为550～650μm的SiC增强颗粒；按组方1的比例在SiC增强颗粒中分别加入高纯粘土、氟化钠、硼酸和PVC粒子，机械混合均匀后，再加入适量酒精，机械混合均匀后，制成糊状SiC预制膏状；将SiC预制膏状涂覆并在泡沫塑料模型表面(钢需要复合的表面)，涂敷厚度为5mm，然后在80℃下进行烘烤，待干燥后，采取浸涂和刷涂相结合方式对模样所有表面涂敷消失模用钢基快干涂料防止粘砂，涂料厚度1mm左右并充分低温干燥；在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1550℃，将制备好的模块样放入砂型，震实、抽真空，真空度为0.056MPa并进行浇注，浇注完毕继续抽真空2～10min，冷却后开箱、落砂及清理，即得。

实施例3

以35钢为基体，增强颗粒粒度为550～850μm的SiC增强颗粒；按组方1的比例在SiC增强颗粒中分别加入高纯粘土、氟化钠、硼酸和PVC粒子，机械混合均匀后，再加入适量酒精，机械混合均匀后，制成糊状SiC预制膏状；将SiC预制膏状涂覆并压制在在泡沫塑料模型表面(钢需要复合的表面)，涂敷厚度为8mm，然后在80℃下进行烘烤，待干燥后，采取浸涂和刷涂相结合方式对模样所有表面涂敷消失模用钢基快干涂料防止粘砂，涂料厚度1mm左右并充分低温干燥；在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1600℃，将制备好的模块样放入砂型，震实、抽真空，真空度为0.056MPa并进行浇注，浇注完毕继续抽真空2～10min，冷却后开箱、落砂及清理，即得。

图2为本发明方法制备的SiC/钢基表面复合材料宏观形貌，黑色小点为增强颗粒，其它均为钢基体，可以看出SiC粒子均布在钢基体上。

图3为制备的SiC/钢基表面复合材料横截面宏观形貌，从图中可以看出，碳化硅粒子很好的镶嵌在钢的基体中，并且分布较均匀，铸渗复合层厚度均为6mm左右。

图4为铸渗表面复合层的影响，即：铸件厚度与预制体厚度之比λ。从中可以看出，在其它工艺条件相同情况下，λ值为4～8时可以得到复合效果良好的SiC/钢表面复合材料。

图5为SiC/钢基表层复合材料的界面形貌，1为复合区，2为过渡区，3为基体区。SiC/钢表面复合层由SiC粒子复合区、过渡区和钢基体组成。铸钢表面有一层明显的复合层，钢基体与SiC粒子复合层之间存在明显的过渡层，该过渡层是由钢组织和SiC粒子混合组成，过渡层与基体的结合界面为交错的锯齿形结构，表明组织结合较牢固。

表面复合层三个区域的形成过程为：当钢液使EPS泡沫塑料气化后，就直接与SiC颗粒预制膏块体接触，此时，高温钢液在SiC粒子间的毛细管力、负压吸力和钢液静压力的共同作用下，向SiC粒子间隙渗入。在这个过程中同时存在热量传输、质量传输和动量传输。当钢液与SiC粒子接触后，高温钢液逐渐使SiC粒子溶解并向钢液中扩散。因此，靠近钢液的SiC粒子在强烈热作用下完全溶化并进行较充分的液态扩散，钢液凝固后形成过渡区；远离泡沫塑料模样的SiC粒子(模型外表面)，由于离钢液较远，钢液渗透不充分，且渗入的钢液保持液态的时间也极短并很快凝固，使SiC粒子的形状、大小基木保持不变，没有完全熔化的SiC粒子被钢基体包围形成SiC粒子增强的钢基表面复合材料，而且由钢基体到复合层表面呈现平缓过渡。

图6为铸渗复合层组织SEM照片，可以看出碳化硅粒子较大，数量较多，排列比较紧密，SiC颗粒分布均匀，无聚集成团现象，每个SiC粒子周围充满了钢基体，呈表观冶金结合状态。

图7为SiC粒度为850μm的SiC/钢基表面复合材料和高铬铸铁、低铬铸铁在850μm石英砂浆料中相对于Q235钢的相对冲蚀磨损耐磨性随冲蚀角度变化的关系曲线。从图中可以看出，SiC/钢基表面复合材料相对耐磨性的最大值出现在冲蚀角45°，但在冲蚀角30°、45°和60°时该复合材料的相对冲蚀磨损耐磨性都比其它三种材料高。高铬铸铁冲蚀磨损耐磨性在90°的冲蚀角度下是四种材料中最好的。低铬铸铁的最大冲蚀磨损磨损率出现在冲蚀角60°，其最好的冲蚀磨损耐磨性出现在冲蚀角45°。

表1为冲蚀角45°下试验材料的冲蚀磨损试验结果，从表中可以看出SiC/钢表面复合复合材料的冲蚀磨损耐磨性最好，其相对冲蚀磨损耐磨性为Q235钢的4.03倍。

表1 材料的冲蚀磨损试验结果(冲蚀角45°)

SiC/钢基表面复合材料之所以具有良好的抗冲蚀磨损性能的主要原因是：作为增强相的SiC粒子具有比石英砂高得多的硬度和刚度，其本身能够有效抵抗石英砂粒子的冲击和切削作用，从而对钢基体起到保护作用。Q235没有增强相，其本身又是塑性又很好，难以抵抗石英砂粒子的冲击和切削作用，因此，其抗磨损性能低于颗粒增强复合材料。复合层内SiC粒子的作用，嵌入钢基体中的石英砂粒子对基体的犁沟线程要比不存在SiC时小得多，而浆料介质是以一定角度冲蚀材料表面，于是产生所谓“保护效应”，处在碳化硅颗粒阴影中的钢基体材料遭受冲击和切削的几率小、程度轻，因而钢基体得到良好保护，并可以充分发挥其“支撑作用”，进一步为碳化硅粒子提供强有力的支撑。在保护效应和支撑作用的互相促进之下，SiC/钢基表面复合材料的磨耗大大减小，整体抗冲蚀磨损性能得到显著提高。

Claims (2)

1.SiC/钢基表面复合材料的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行，

步骤1，选择各组份为：

粒度为550～850μm的SiC颗粒，

粘结剂为高纯粘土或水玻璃，占SiC颗粒的质量比为1.5％～5％，

净化剂为硼酸，占SiC颗粒的质量比为1.0％～5％，

添加剂为氟化钠，占SiC颗粒的质量比为1.0％～3％，

辅料为PVC粒子，占SiC颗粒的质量比为3％～6％；

步骤2，配制SiC预制膏块，

将上步选好的SiC颗粒、粘结剂、添加剂、净化剂以及辅料，机械混合均匀后，再加入适量酒精，机械混合均匀后，制成糊状SiC预制膏块；

步骤3，选用泡沫塑料作基材，将上步制得的SiC预制膏块涂覆并压制在基材上，涂敷厚度1～8mm，然后在60℃～80℃温度下烘烤，待干燥后，采取浸涂和刷涂相结合的方式对基材所有表面涂敷消失模用钢基快干涂料，涂料厚度1mm左右并充分低温干燥；

步骤4，在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1550℃～1650℃，将上步制备好的模块放入砂型，震实、抽真空，真空度为0.056～0.058MPa，并进行浇注，浇注完毕继续抽真空2～10min，冷却后开箱、落砂及清理，即得到SiC/钢基表面复合材料。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，基材厚度与预制膏块厚度之比λ为4～8。

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