CN102051536A - 一种阻尼耐磨钢材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼耐磨钢材料及其制备方法，该材料以阻尼耐磨钢为基体，在基体中分布着钢丝团和碳纤维，所用钢丝团直径为10-15cm，其中钢丝截面为矩形，截面尺寸为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述钢丝和碳纤维的重量比为25-30∶1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为20～40%。本发明得到的阻尼耐磨钢材料具有较高的韧性和耐磨性，且工艺简单，生产成本低。

Description

一种阻尼耐磨钢材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种阻尼耐磨钢材料，具体涉及一种含有硼氮共渗钢丝和碳纤维复合增强的阻尼耐磨钢材料及其制备方法。

背景技术

在金属材料领域中, 阻尼耐磨钢作为低成本耐磨材料一直受到普遍重视。

CN200510078257.X号申请公开了一种特别适用于钢路道岔的高强度耐磨钢及其制造方法。其材质化学成份按重量百分比为：C 0.25-0.48，Si 0.6-1.5，Mn 0.8-1.5，Cr1-1.5，Mo 0.3-0.5，V 0.15-0.25，Ti 0.05-0.15，P≤0.03，S≤0.025；制造工艺流程为：电弧炉冶炼→真空炉精炼→炉外钢包精炼→铸锭→初轧成坯→锻造成型→形变热处理。

CN200410013944.9号申请公开了一种高硬度高韧性耐磨钢，其组成的重量百分比如下：C：0.25～0.55，Si：0.3～1.5，Mn：1.2～4.5，Cr：0.8～2.5，Mo：0.4～1.5，Ni：0.3～1.0，P、S≤0.06，其余为Fe，同时控制Mn/C值在4.8～8.2之间。

CN86102543公开了一种铁—铬系哑声减振钢及其制造方法，该方法在冶炼过程中添加Si—Ca合金、Ti—Fe合金、混合稀土金属或其合金(稀土—镁、稀土—钙、稀土—镁—硅合金等)中的一种、二种或三种，以脱除钢中非金属杂质，实现非真空冶炼。其中合金成分除Fe、Cr外，还含有 Mo、Si、Cu、Ti、Mn、C及混合稀土中的三种或三种以上的成分，其抗拉强度在45～85kg/mm²，内耗Q^-1 在200～450×10^-4。

然而上述钢材料均耐磨性不足，不能同时具备较高的耐磨和阻尼性能。且生产成本较高，工艺复杂。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种含有硼氮共渗钢丝和碳纤维复合增强的阻尼耐磨钢材料。

本发明的另一目的是提供一种含有硼氮共渗钢丝和碳纤维复合增强的阻尼耐磨钢材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种阻尼耐磨钢材料，该材料以阻尼耐磨钢为基体，在基体中分布着钢丝团和碳纤维；所述钢丝团直径为10～15cm，所用钢丝截面为矩形，截面尺寸为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述钢丝和碳纤维的重量比为25～30:1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为20～40%；

阻尼耐磨钢基体的化学成分的重量百分含量为：C 为0.45～0.60%，Si为0.5%～1%, Mn为3～5%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe；

钢丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.06～0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.3～0.8%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；

碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为100～500:1。

上述基体中还分布有Mn₄B、Fe₄N、Si₃N₄、Fe₃B和B₄C颗粒。

一种阻尼耐磨钢材料的制备方法如下：

硼氮共渗钢丝团和碳纤维的准备：取截面为矩形、且尺寸为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm、成分为C为0.06～-0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.3～0.8%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的钢丝，以及直径为7微米，长径比为100～500:1的T300碳纤维，所述钢丝和碳纤维的重量比为25～30:1，钢丝和碳纤维两者的体积占材料的体积百分比为20～40%；将钢丝按清洁球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为10～15cm,并按常规化学热处理的方法在其表面共渗硼氮得到硼氮共渗钢丝团，所述渗硼氮层的厚度为50～100μm；

硼氮共渗钢丝团粘附碳纤维的制备：将硼氮共渗钢丝团浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的浓度为1.3～1.5 g/cm³，模数为2.6～3.0；将钢丝团从水玻璃溶液中取出，然后再将碳纤维揉撒到带有水玻璃溶液的钢丝团上，使碳纤维均匀粘在钢丝的表面；待水玻璃固化后，将若干粘有碳纤维的钢丝团放入铸型型腔；钢丝团的松紧程度由钢丝和碳纤维占材料的体积百分比决定，且保证钢丝团正好放满铸型；然后将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待钢水浇注；

阻尼耐磨钢基体的准备：按重量百分含量C 为0.45～0.60%，Si为0.5%～1%, Mn为3～5%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe进行配料；将阻尼耐磨钢基体在感应电炉中熔化得到阻尼耐磨钢水，熔化温度为1600～1630℃；

将上述阻尼耐磨钢水浇入装有粘附碳纤维的钢丝团的铸型中，液态钢水进入钢丝团间隙将碳纤维和钢丝包围，然后冷却凝固，形成以阻尼耐磨钢为基体的其中分布有碳纤维和钢丝团的材料。

本发明相比现有技术的有益效果如下：

（1）本发明材料中的钢丝自身具有相当的强度和较高的韧性，钢丝和耐磨钢基体都是铁，因此钢丝和耐磨钢基体很容易结合起来，形成很好的冶金结合。这样，钢丝分布在耐磨钢中，对材料具有很好的增强增韧作用。

（2）材料中分布有碳纤维，碳纤维不仅具有减摩作用，而且和钢丝共同作用，增强材料的韧性和强度，因此有利于合金耐磨性能提高。

（3）成型过程中，当钢水进入铸型腔与钢丝接触，钢丝表面的N和B熔于钢水，钢水中的Mn、C和 Fe和钢丝表面的N和B反应形成Mn₄B、Fe₄N、Si₃N₄、Fe₃B、B₄C，形成弥散的化合物分布于基体中，使得材料硬度高，从而提高材料的耐磨性能。

（4）材料中的阻尼耐磨钢材料中含有硬质的钢丝，同时合金中含有弥散的氮化物、硼化物，因此硬度高，具有很好的耐磨性能。

（5）材料中选用的钢丝截面为矩形，而且含有细小的碳纤维，因此合金中界面多，表面积大，使得该材料具有很好的阻尼减振性能；且钢丝制备成钢丝团呈球形，利于钢丝和其上附着的碳纤维在材料中均匀分布。

（6）本发明中所用材料无贵重元素，主要合金元素由钢丝带入，而钢丝材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，且生产得到的合金材料性能好，便于工业化生产。本发明所得材料主要用于矿山、煤炭、建材等工业领域用的耐磨易损件，如筒体衬板、端衬板等。

（7）本发明材料中P、S为杂质，控制在允许的范围内。

本发明的材料性能见表1。

附图说明

图1为本发明实施例一制得的含有硼氮共渗钢丝和碳纤维复合增强的阻尼耐磨钢材料的金相组织。

图1可以看到在阻尼耐磨钢与钢丝结合良好。

具体实施方式

以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg或其它重量单位。各实施例中的钢丝和碳纤维均为市购，渗硼氮层自制。

实施例一

    阻尼耐磨钢基体的化学成分的重量百分含量：C 为0.45%，Si为0.5%, Mn为3%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe。 

钢丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.06%，Si为0.2%, Mn为0.3%, P<0.02%, S<0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为矩形，且规格为0.1mm×0.5mm。

碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为100:1。

钢丝和碳纤维的重量比为25:1，控制钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为20%。

取钢丝按照清洁球或钢丝球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为10cm,并按常规化学热处理的方法在其表面共渗硼氮得到硼氮共渗钢丝团，所述渗硼氮层的厚度为50μm。

制备过程如下：将硼氮共渗钢丝团浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的浓度为1.3 g/cm³，模数为2.6；将钢丝团从水玻璃溶液中取出，然后再将碳纤维揉撒到带有水玻璃溶液的钢丝团上，使碳纤维均匀粘在钢丝的表面；待水玻璃固化后，将若干粘有碳纤维的钢丝团放入铸型型腔；钢丝团的松紧程度由钢丝和碳纤维占材料的体积百分比决定，且保证钢丝团正好放满铸型；然后将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待钢水浇注；

将阻尼耐磨钢基体在感应电炉中熔化得到阻尼耐磨钢水，熔化温度为1615～1625℃；

将上述阻尼耐磨钢水浇入装有粘有碳纤维的钢丝团的铸型中，液态钢水进入钢丝团间隙将碳纤维和钢丝包围，然后冷却凝固，形成以阻尼耐磨钢为基体的其中分布有碳纤维和钢丝团的材料。

实施例二

阻尼耐磨钢基体的化学成分的重量百分含量：C 为0.6%，Si为1%, Mn为5%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe。 

钢丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.09%，Si为0.3%, Mn为0.8%, P<0.02%, S<0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为矩形，且规格为0.4mm×1.5mm。

碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为500:1。

钢丝和碳纤维的重量比为30:1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为40%。

取钢丝按照清洁球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为15cm,并按常规化学热处理的方法在其表面共渗硼氮得到硼氮共渗钢丝团，所述渗硼氮层的厚度为100μm。

制备过程如实施例一，其中水玻璃溶液的浓度为1.5 g/cm³，模数为3.0。

实施例三

阻尼耐磨钢基体的化学成分的重量百分含量：C 为0.5%，Si为0.7%, Mn为4%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe。 

钢丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.07%，Si为0.25%, Mn为0.5%, P<0.02%, S<0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为矩形，且规格为0.3mm×0.7mm。

碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为190:1。

钢丝和碳纤维的重量比为27:1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为35%。

取钢丝按照清洁球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为12cm,并按常规化学热处理的方法在其表面共渗硼氮得到硼氮共渗钢丝团，所述渗硼氮层的厚度为70μm。

制备方法同实施例一，其中水玻璃溶液的浓度为1.4 g/cm³，模数为2.8。

对比实施例四

阻尼耐磨钢基体的化学成分的重量百分含量：C 为0.3%，Si为0.3%, Mn为3%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe。 

钢丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.03%，Si为0.1%, Mn为0.2%, P<0.02%, S<0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为圆形，半径为0.1mm。

碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为50:1。

钢丝和碳纤维的重量比为25:1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为10%。

取钢丝按照清洁球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为10cm,且钢丝团表面不渗硼氮。

制备方法同实施例一。

对比实施例五

阻尼耐磨钢基体的化学成分的重量百分含量：C 为0.8%，Si为2%, Mn为6%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe。 

钢丝的化学成分的重量百分含量为：：C为0.1%，Si为0.4%, Mn为0.9%,其余为Fe；钢丝的截面为矩形，且规格为0.5mm×2mm。

碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为600:1。

钢丝和碳纤维的重量比为25:1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为60%。

取钢丝按照清洁球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为10cm, 并按常规化学热处理的方法在其表面共渗硼氮得到共渗硼氮的钢丝团，所述渗硼氮层的厚度为200μm。

制备方法同实施例一。

产品性能分析：

由下表可见，本发明中的阻尼耐磨钢基体和钢丝化学成分中的C、Si、Mn增加，利于材料硬度的提高。但是过多，会降低基体材料的韧性。P和S 增加，也会降低基体材料的韧性。

钢丝截面为矩形便于粘结碳纤维。截面尺寸过小，不利于粘结碳纤维；尺寸过大，割裂基体倾向增加。

碳纤维长径比太小和太大都不利于与矩形截面钢丝的粘结。

钢丝和碳纤维体积百分比的增加，利于材料韧性的提高。但是过大，降低了材料的硬度，因此也降低了材料的耐磨性，如产品5，而且钢水不易包围钢丝和碳纤维；反之，钢丝和碳纤维占材料的体积百分比太小，则不利于钢丝和碳纤维作用的发挥。

渗硼氮层的厚度增加，利于钢水的合金化；但是厚度过大，氮和硼不易在短时间熔入钢水，造成元素的浪费，同时热处理成本增加；反之，钢丝的表面的渗硼氮层的厚度太小，钢丝硬度降低，并且不利于形成弥散的化合物。

表1 所得各产品性能对比

Claims (3)

1.一种阻尼耐磨钢材料，其特征在于：该材料以阻尼耐磨钢为基体，在基体中分布着钢丝团和碳纤维；所述钢丝团直径为10～15cm，所用钢丝截面为矩形，截面尺寸为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述钢丝和碳纤维的重量比为25～30:1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为20～40%；

阻尼耐磨钢基体的化学成分的重量百分含量为：C 为0.45～0.60%，Si为0.5%～1%, Mn为3～5%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe；

钢丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.06～0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.3～0.8%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；

碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为100～500:1。

2.根据权利要求1所述的阻尼耐磨钢材料，其特征在于：所述基体中还分布有Mn₄B、Fe₄N、Si₃N₄、Fe₃B和B₄C颗粒。

3.一种阻尼耐磨钢材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

硼氮共渗钢丝团和碳纤维的准备：取截面为矩形、且尺寸为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm、成分为C为0.06～0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.3～0.8%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的钢丝，以及直径为7微米，长径比为100～500:1的T300碳纤维，所述钢丝和碳纤维的重量比为25～30:1，钢丝和碳纤维两者的体积占材料的体积百分比为20～40%；将钢丝按清洁球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为10～15cm,并按常规化学热处理的方法在其表面共渗硼氮得到硼氮共渗钢丝团，所述渗硼氮层的厚度为50～100μm；

硼氮共渗钢丝团粘附碳纤维的制备：将硼氮共渗钢丝团浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的浓度为1.3～1.5 g/cm³，模数为2.6～3.0；将钢丝团从水玻璃溶液中取出，然后再将碳纤维揉撒到带有水玻璃溶液的钢丝团上，使碳纤维均匀粘在钢丝的表面；待水玻璃固化后，将若干粘有碳纤维的钢丝团放入铸型型腔；钢丝团的松紧程度由钢丝和碳纤维占材料的体积百分比决定，且保证钢丝团正好放满铸型；然后将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待钢水浇注；

阻尼耐磨钢基体的准备：按重量百分含量C 为0.45～0.60%，Si为0.5%～1%, Mn为3～5%, P<0.08%, S <0.25%,其余为Fe进行配料；将阻尼耐磨钢基体在感应电炉中熔化得到阻尼耐磨钢水，熔化温度为1600～1630℃；

将上述阻尼耐磨钢水浇入装有粘附碳纤维的钢丝团的铸型中，液态钢水进入钢丝团间隙将碳纤维和钢丝包围，然后冷却凝固，形成以阻尼耐磨钢为基体的其中分布有碳纤维和钢丝团的材料。

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