CN102513522A

CN102513522A - 一种陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN102513522A
Application number: CN2011104451389A
Authority: CN
Inventors: 蒋业华; 隋育栋; 李祖来; 周荣; 岑启宏; �山泉
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明提供一种陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，通过用粉末烧结将硬质陶瓷颗粒和合金粉的混合物烧结成条状块或用粘结剂粘结将硬质陶瓷颗粒和合金粉的混合物粘结成条状块；将条状块拼接成相应的网状结构，或者将条状块经过拼接和叠加形成网状立体骨架结构；采用常规砂型铸造或消失模铸造，熔炼基材金属材料，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。所得网状复合材料充分发挥了陶瓷颗粒硬质相的高耐磨性能和钢铁基的良好韧性，调控方便，工艺可靠，解决了复合材料反应不完全，增强相颗粒分布不均匀，增强相界面污染弱化等难题，可广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭、建材等耐磨领域。

Description

一种陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，特别涉及一种陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法。

背景技术

现代工业的发展对材料的耐磨性能要求越来越高，冶金、矿山、建材、电力、化工、煤炭和农业等部门分别要用到矿山机械、工程机械、农业机械和各种破碎粉磨机械，这些机械设备的易损件要受到砂石、矿石、土壤等各种物料和研磨体的磨损，每年要消耗大量金属。根据不完全统计，能源的1/3～1/2消耗与摩擦和磨损有关。对材料来说，约80%的零件失效是由磨损引起的，其中因磨料磨损而失效的约占50%，据统计我国用于磨料磨损工况的耐磨钢铁件，每年要消耗200多万吨。由此，开发研制出一种能在磨损工况下，具有较长使用寿命的新材质显得极为重要。

在工业中的许多领域存在恶劣的工作环境，要求工作零部件同时具备耐磨耐热或耐磨耐蚀综合性能，因此具有单一性能的材料已不能满足工况的需求。复合材料由于是将两种或以上具有不同特性的材料，通过物理或化学的方法将它们有机结合在一起，发挥各自优势，因此材料具有优异的综合性能。近几年来，对复合材料制备工艺的研究做了大量的工作，开发了多种工艺。这些工艺方法用于制造有色金属复合材料时，由于有色金属大多数熔点低，与很多增强颗粒间浸润性好，因此取得了很好的效果。如SiC增强铝合金复合材料制造活塞，使用寿命大幅度提高。然而对黑色金属而言，由于熔点高，相互之间冶金反应复杂，因此如何方便地使增强颗粒加入黑色金属液中，一直是一道难题，这严重影响颗粒增强钢铁基复合材料的产业化进程。多年来，对颗粒增强钢铁基复合材料的工艺研究一直是复合材料研究的重大课题之一，也取得了一些成果。专利（公开号1080221）介绍了一种制备颗粒增强耐磨复合材料的铸造方法，其工艺步骤是：先做好铸型，同时制备尺寸为负偏差的消失模，再将消失模放入铸型中，这样在消失模和铸型间就形成空隙。将空隙填满硬质颗粒，合箱抽真空浇注，从而在表面形成含硬质颗粒的耐磨材料。该方法工序复杂，不能很好的将消失模负压铸造工艺的优点利用起来，生产效率低，且复合层厚度和质量难以保证。CN1383945A公开了一种颗粒增强复合材料的制备方法，它的工序步骤是：先做好泡沫塑料模，在铸件需要制作复合材料的部位，将模制作成两部分粘结，其中之一制有沟槽，然后将混制好的增强颗粒填满沟槽，再将模的两部分粘结起来，上涂料烘干造型，最后抽真空浇注。这种方法制备较复杂，不适合实际生产的需要。CN101053898A介绍了一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的真空实型铸渗方法，这种方法是将增强颗粒制备成与复合材料所需耐磨表面形状相适应的预制块，将其固定在需要合金化的泡沫材料模样表面，然后按铸造工艺造型并浇注。这种方法的缺点是泡沫产生的气体以及复合层中的粘结剂气化产生的气体使得材料内部多出现无法避免的气孔缺陷，无法生产结构复杂的零部件。CN1128297A公布了一种局部复合材料及其制造方法，其是将陶瓷颗粒、有机粘结剂与普碳钢基、耐热钢基或镍基粉末混匀，压制成所需形状的预制块，置于需强化的铸件的铸型局部，浇注金属即可。这种方法制作的局部复合材料，易产生夹渣缺陷，并且复合层与基材金属的界面结合效果相对较差，在收到冲击作用下，会使复合层脱落而失去耐磨的作用。CN101422814A公开了一种局部复合耐磨材料的制备方法，它是选用高合金粉芯管丝，根据工件表面的形状，裁剪、卷制或叠加制成相似结构；按照铸造工艺造型，将制作好的高合金粉芯管丝预埋入砂型型腔中，冶炼基材金属材料浇注，从而得到所需复合材料。这种方法的缺点在于易形成夹渣缺陷，用于实际生产时工艺可控性较差，不适合大规模工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，通过该方法在钢铁基中形成网状的陶瓷颗粒硬质相分布，并与钢铁基有效的结合成一体，充分发挥硬质相的高耐磨特性，也保留了基材金属的良好韧性，从而达到最佳的性能匹配，能制作成多种结构形状的产品（无论是整体增强还是局部增强，而且可直接做成零部件、不需二次加工），开发应用前景广阔。

为了实现上述任务，本发明通过下列技术方案实现：一种陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，经过下列各步骤：

（1）用粉末烧结将硬质陶瓷颗粒和合金粉的混合物烧结成条状块或用粘结剂粘结将硬质陶瓷颗粒和合金粉的混合物粘结成条状块；其中，合金粉占条状块体积的0～60%；

（2）将步骤（1）的条状块按照工件工作面的形状拼接成相应的网状结构（局部复合的情况），或者将步骤（1）的条状块经过拼接和叠加后，形成网状立体骨架结构（整体复合的情况）；采用常规砂型铸造或消失模铸造，熔炼基材金属材料至浇注温度后，将其浇注入预埋有网状结构或网状立体骨架结构的型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。

所述步骤（1）的硬质陶瓷颗粒是碳化硅、碳化钨、氮化硅、氮化钛、氧化铝的一种或任意几种；当硬质陶瓷颗粒是两种或两种以上时，各种硬质陶瓷颗粒的粒度相同。

所述步骤（1）的硬质陶瓷颗粒的粒径为-10～+80目。

所述步骤（1）的合金粉为钼铁粉、钨铁粉、高碳铬铁粉、锰铁粉或镍自熔合金粉。

所述步骤（2）的条状块拼接成的网状结构占工件耐磨层体积分数的20～80%。

所述步骤（2）的条块状拼接和叠加成的网状立体骨架结构时，每层条块状的间距根据工况需要而定。

所述步骤（2）的基材金属材料为钢或铁。

所述钢为普通碳钢、合金钢或高锰钢。

所述铁为灰铸铁或球墨铸铁。

本发明的机理是，由于将硬质陶瓷颗粒烧结成网状，在基材金属液的高温作用下，硬质陶瓷颗粒与基材金属液发生冶金化合反应，同时由于硬质陶瓷颗粒的吸热作用，降低了局部的温度，缩短了结晶过程，阻碍了硬质陶瓷颗粒中的元素进一步扩散，从而使硬质陶瓷颗粒网与基材金属形成良好的冶金过渡结合，界面结合牢固，耐磨性与韧性有机统一，整体性能显著提高。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、由于将硬质陶瓷颗粒烧结成网状，在基材金属液的高温作用下，硬质陶瓷颗粒与基材金属液发生冶金化合反应，同时由于硬质陶瓷颗粒的吸热作用，降低了局部的温度，缩短了结晶过程，阻碍了硬质陶瓷颗粒中的元素进一步扩散，从而使硬质陶瓷颗粒网与基材金属形成良好的冶金过渡结合，界面结合牢固，耐磨性与韧性有机统一，整体性能显著提高。

2、硬质陶瓷颗粒可根据工件的使用要求进行配比，成分可调，适应性广。

3、可根据工件工作面的磨损要求，局部复合时可设置硬质陶瓷颗粒网所占的体积分数，整体复合时可设置硬质陶瓷块之间的间距，达到最佳的使用效果，节约金属。

4、该方法制备的网状复合材料充分发挥了陶瓷颗粒硬质相的高耐磨性能和钢铁基的良好韧性，调控方便，工艺可靠，解决了复合材料反应不完全，增强相颗粒分布不均匀，增强相界面污染弱化等难题，可广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭、建材等耐磨领域。

附图说明

图1是本发明所得陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料中耐磨层的结构示意图；

图2是本发明制备陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料（局部复合的情况）的浇注示意图；

图3是本发明制备陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

（1）用粉末烧结将粒径为-20～+30目的氧化铝颗粒烧结成条状块；

（2）将步骤（1）的条状块按照工件工作面的形状拼接成相应的网状结构（局部复合的情况），占工件耐磨层体积分数的50%，采用常规砂型铸造，如图2，熔炼高锰钢至浇注温度后，将其通过砂型6中间的浇冒口5浇注入预埋有网状结构3的型腔4中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到由氧化铝耐磨层1和高锰钢基材金属层2组成的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。

实施例2

（1）用粉末烧结将钼铁粉和粒径为60目的碳化硅和碳化钨颗粒的混合物烧结成条状块；其中，合金粉占条状块体积的20%；

（2）将步骤（1）的条状块经过拼接和叠加后，形成网状立体骨架结构（整体复合的情况），每层条块状的间距为3mm；采用常规砂型铸造，熔炼灰铸铁HT300材质至浇注温度1530℃后，将其浇注入预埋有网状立体骨架结构的型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。

实施例3

（1）用粘结剂粘结将钨铁粉和粒径为10目的氮化硅和氮化钛颗粒的混合物粘结成条状块；其中，合金粉占条状块体积的60%；

（2）将步骤（1）的条状块按照工件工作面的形状拼接成相应的网状结构（局部复合的情况），占工件耐磨层体积分数的20%，采用常规消失模铸造，熔炼灰铸铁至浇注温度后，将其浇注入预埋有网状结构的型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。

实施例4

（1）用粘结剂粘结将高碳铬铁粉和粒径为80目的碳化钨和氮化硅颗粒的混合物粘结成条状块；其中，合金粉占条状块体积的10%；

（2）将步骤（1）的条状块按照工件工作面的形状拼接成相应的网状结构（局部复合的情况），占工件耐磨层体积分数的80%，采用常规砂型铸造，熔炼球墨铸铁至浇注温度后，将其浇注入预埋有网状结构的型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。

实施例5

（1）用粉末烧结将粒径为40目的碳化钨颗粒和锰铁粉的混合物烧结成条状块；其中，合金粉占条状块体积的50%；

（2）将步骤（1）的条状块经过拼接和叠加后，形成网状立体骨架结构（整体复合的情况），每层条块状的间距为10mm；采用常规消失模铸造，熔炼合金钢至浇注温度后，将其浇注入预埋有网状立体骨架结构的型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。

实施例6

（1）用粘结剂粘结将镍自熔合金粉和粒径为80目的氮化钛和氧化铝颗粒的混合物粘结成条状块；其中，合金粉占条状块体积的4%；

（2）将步骤（1）的条状块经过拼接和叠加后，形成网状立体骨架结构（整体复合的情况），每层条块状的间距为0.2mm；采用常规砂型铸造，熔炼普通碳钢至浇注温度后，将其浇注入预埋有网状立体骨架结构的型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。

Claims

1.一种陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于经过下列各步骤：

（2）将步骤（1）的条状块按照工件工作面的形状拼接成相应的网状结构，或者将步骤（1）的条状块经过拼接和叠加后，形成网状立体骨架结构；采用常规砂型铸造或消失模铸造，熔炼基材金属材料至浇注温度后，将其浇注入预埋有网状结构或网状立体骨架结构的型腔中，室温冷却凝固，经清砂处理，即得到陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料。

2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的硬质陶瓷颗粒是碳化硅、碳化钨、氮化硅、氮化钛、氧化铝的一种或任意几种；当硬质陶瓷颗粒是两种或两种以上时，各种硬质陶瓷颗粒的粒度相同。

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的硬质陶瓷颗粒的粒径为-10～+80目。

4.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）的合金粉为钼铁粉、钨铁粉、高碳铬铁粉、锰铁粉或镍自熔合金粉。

5.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的条状块拼接成的网状结构占工件耐磨层体积分数的20～80%。

6.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的条块状拼接和叠加成的网状立体骨架结构时，每层条块状的间距根据工况需要而定。

7.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的基材金属材料为钢或铁。

8.根据权利要求7所述的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于：所述钢为普通碳钢、合金钢或高锰钢。

9.根据权利要求7所述的陶瓷颗粒增强钢铁基网状复合材料的制备方法，其特征在于：所述铁为灰铸铁或球墨铸铁。