CN103317122A - 一种钢铁基复合材料、制备方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢铁基复合材料、制备方法及其装置，属于钢铁基复合材料技术领域。钢铁基复合材料包括钢铁基体以及平行排列在钢铁基体内的钢筋式复合材料柱。通过压制、烧结、浇注、冷凝等工艺方法制备出钢铁基复合材料。制备钢铁基复合材料的装置包括模具底座、复合模具外壳及压头，复合模具外壳呈空心柱状且下端连接模具底座，复合模具外壳由低导热陶瓷层及热作模具钢构成，低导热陶瓷层周围封装有热作模具钢，压头置于复合模具外壳内部，其尺寸与复合模具外壳的内径相匹配，且压头能沿内壁自由活动。该材料具有优越的承载能力、耐磨性能；本发明提供的方法工艺简单、生产周期短、便于机械化批量生产；其装置可以反复多次使用，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢铁基复合材料、制备方法及其装置，属于钢铁基复合材料技术领域。
背景技术
陶瓷/金属复合材料因其耐磨性好、抗氧化腐蚀能力强、比强度和比模量高、成本相对较低等优势而常用于抗磨领域。目前，陶瓷增强金属基复合材料中的陶瓷单元常为陶瓷颗粒、晶须、纤维、三维多孔预制体、柱状预制体等。陶瓷颗粒、晶须、纤维增强金属基复合材料最为常见，在稳态或低载荷作用下表现良好；但塑韧性差、抗冲击能力弱是其致命的缺点，在载荷反复变化或较大冲击工况下，往往呈现为脆性断裂、增强相脱落，从而造成复合材料耐磨性难以发挥、作为工程构件使用时可靠性差。三维多孔预制体增强金属基复合材料一定程度上提高了承载能力，但预制体制备工艺复杂而难以推广。柱状预制体增强金属基复合材料是近年来制备抗冲击耐磨材料的研究热点，已取得初步研究成果，但仍然面临一系列关键性技术难题。
CN101463182A“一种超微细压电陶瓷阵列结构复合材料及其制备方法”中的陶瓷柱属于微观范畴，仅能作为功能材料使用。CN101530905A“一种破碎机复合材料锤头及其铸造方法”和CN101530904A“一种破碎机复合材料锤头及其负压铸造方法”中的增强相仅能为成本较高的WC材料且金属液只能渗入到粒度较大的WC颗粒内，故难以制备高体积分数的复合材料。CN102581259A“陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件及其制备方法”所述陶瓷柱状需经过表面金属化、陶瓷化或金属化+陶瓷化方法的一种对其进行表面预处理，预处理过程工艺繁琐、成本高、制备周期长。“一种局部增强金属基复合材料的制备方法”（申请号：201110380256）通过将粒度大于50目的陶瓷颗粒和粘结剂按质量比为2～5：1混合均匀后，再将混合物附着在金属模具内表面，固化后形成厚度为1～20mm的致密陶瓷层，得到带有绝热层的模具。该方法解决了钢液等高熔点金属凝固快的问题，但金属模具内的陶瓷绝热层制备需专有模具、固化需一定周期、绝热层一次性使用后报废，导致材料浪费而增加了成本。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，突破预制坯材质、粒度、表面预处理、微观界面结合不良的限制，本发明提供了一种钢铁基复合材料、制备方法及其装置，该钢铁基复合材料较其他材料相比在冲击磨损工况下有优越的承载能力、耐磨性能。同时，本方法具有工艺简单、生产周期短、便于机械化批量生产且本装置“保温杯”式绝热复合模具可以反复多次使用等优势。
一种钢铁基复合材料，包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，所述钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内，且占钢铁基复合材料体积的30%～75%。
所述钢筋式复合材料柱的横截面为四边形、五边形、六边形、圆形或工字形，其截面积为7~1000mm2。
所述两钢筋式复合材料柱的间距为1mm以上且两钢筋式复合材料柱的柱间距及分布可根据性能要求进行调整。当在平缓工况下需高耐磨性时，可减小柱间距；当在冲击磨损工况下可适当增大柱间距；且复合材料工作面的不同部位可能要求不同的耐磨性，在要求高耐磨性的地方设计柱子密集分布，其他地方设计柱子稀疏分布。
该钢铁基复合材料可根据用途的需要形成整体或局部复合。
本发明钢铁基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）首先将粘接剂混合物与粒度为20~300目陶瓷颗粒按照质量比5~6：100的比例混合均匀后压制成钢筋式复合材料柱后，在500~1000℃高温下烧结1.5~2h，然后将烧结后的钢筋式复合材料柱平行排列；
（2）将1580~1650℃高温钢液浇注到步骤（1）已排列好的钢筋式复合材料柱，浇注完成后施加10~150MPa的压力并持续2~3min，将停止加压后的上述熔体混合物冷却到室温即制备得钢铁基复合材料，该材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，且钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内。
所述步骤（1）中粘接剂混合物为粘结剂与水按照质量比（5~6）：（4~10）均匀混合的混合物，粘结剂为Na2SiO3、PVA、H3PO4中的一种或几种任意比例混合物。
所述步骤（1）中陶瓷颗粒为氧化铝、氧化锆、碳化钨、碳化硅或碳化钛。
本发明制备钢铁基复合材料的装置包括模具底座6、复合模具外壳8及压头1，所述复合模具外壳8呈空心柱状且下端连接模具底座6，复合模具外壳8由低导热陶瓷层3及热作模具钢4构成，低导热陶瓷层3周围封装有热作模具钢4，压头1置于复合模具外壳8的内部，其尺寸与复合模具外壳8的内径相匹配，且压头1能沿复合模具外壳8的内壁上下活动。
所述模具底座6与复合模具外壳8的连接方式为通过螺钉7的螺纹连接。
所述低导热陶瓷层3的厚度为80~150mm，低导热陶瓷层3由低导热陶瓷材料构成，低导热陶瓷材料可以为氮化硅、氧化锆、玻璃纤维、氧化铝的中的一种或几种任意比例混合物。
所述热作模具钢4的厚度为8~15mm，可以由5Cr4W5Mo2V的材质构成。
本发明制备钢铁基复合材料的装置的使用方法为：首先将烧结后的钢筋式复合材料柱平行排列到模具底座6上，然后将1580~1650℃高温钢液浇注到已排列好的钢筋式复合材料柱，浇注完成后将压头1向下压以施加10~150MPa的压力并持续2~3min，最后停止加压后的将上述熔体混合物冷却到室温即制备得钢铁基复合材料。
本发明具有以下有益效果和优点：
（1）本产品钢铁基复合材料，与普通砂型铸造、负压铸造出来的产品相比，界面结合更加紧密，没有微观缺陷，结合均匀性好，强度和韧性有效提高。
（2）本产品柱中的状预制坯由粒度极细的陶瓷颗粒压制而成时，钢液也能够渗入到柱内，陶瓷颗粒的材质、粒度可选择性广，陶瓷体积含量高达75%。
（3）本产品显著提高了材料的断裂功以及断裂韧性，改变了表层层状局部复合材料的剥落或脆性断裂模式，保证了复合材料在高载荷磨损工况下使用的可靠性。
（4）本方法预制坯无需特殊的表面处理，仅高温烧结后即可与基体在压力作用下很好的复合，缩短了生产周期。
（5）本装置复合模具的绝热陶瓷位于模具心部，有效避免了取样时陶瓷被破坏，故复合模具可以多次重复使用，节约成本；复合模具主要由陶瓷层构成，所以绝热性能较好形成保温杯式复合模具。
（6）本发明工艺简单，操作可行，适合工业化生产。
附图说明
图1是本发明钢铁基复合材料的纵向剖视结构示意图；
图2是本发明钢铁基复合材料的横向剖视结构示意图；
图3是制备钢铁基复合材料的装置结构示意图；
图中各标号为：1-压头；2-金属液；3-低导热陶瓷；4-热作模具钢；5-钢筋式复合材料柱；6-模具底座；7-连接螺钉；8-复合模具外壳。
具体实施方式
下面结合附图1、2、3和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1、2本发明钢铁基复合材料的结构示意图所示，钢铁基复合材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，钢筋式复合材料柱以柱间距为10mm平行排列在钢铁基体内，其中钢筋式复合材料柱横截面为四边形、截面积为7mm2，且占钢铁基复合材料体积的30%。
本发明钢铁基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）首先将粘接剂混合物（粘接剂混合物为粘结剂与水按照质量比5：4均匀混合的混合物，其中粘接剂为质量比5：1Na2SiO3与PVA）与粒度为20目氧化铝陶瓷颗粒按照质量比5：100的比例混合均匀后压制成钢筋式复合材料柱后，在500℃高温下烧结1.5h，然后将烧结后的钢筋式复合材料柱平行排列；
（2）将1580℃高温钢液浇注到已排列好的钢筋式复合材料柱，浇注完成后施加10MPa的压力并持续2min，将停止加压后的上述熔体混合物冷却到室温即制备得钢铁基复合材料，该材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，且钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内。
如图3钢铁基复合材料制备的装置示意图所示，本实施方式中的装置包括模具底座6、复合模具外壳8及压头1，复合模具外壳8呈空心柱状且下端通过螺钉7与模具底座6螺纹连接，复合模具外壳8由热阻大的厚度为80mm的低导热陶瓷层3及厚度为8mm热作模具钢4构成，低导热陶瓷层3周围封装有热作模具钢4，其中低导热陶瓷材料为氮化硅，热作模具钢材质为5Cr4W5Mo2V，压头1置于复合模具外壳8的内部，压头1的尺寸与复合模具外壳8的内径相匹配，且压头1能沿内壁上下活动。
实施例2
如图1、2本发明钢铁基复合材料的结构示意图所示，钢铁基复合材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，钢筋式复合材料柱以柱间距为2mm平行排列在钢铁基体内，其中钢筋式复合材料柱的横截面为五边形、截面积为1000mm2，且占钢铁基复合材料体积的50%。
本发明钢铁基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）首先将粘接剂混合物（粘接剂混合物为粘结剂与水按照质量比6：10均匀混合的混合物，其中粘接剂为H3PO4）与粒度为300目氧化锆陶瓷颗粒按照质量比6：100的比例混合均匀后压制成钢筋式复合材料柱后，在1000℃高温下烧结2h，然后将烧结后的钢筋式复合材料柱平行排列；
（2）将1650℃高温钢液浇注到已排列好的钢筋式复合材料柱，浇注完成后施加150MPa的压力并持续3min，将停止加压后的上述熔体混合物冷却到室温即制备得钢铁基复合材料，该材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，且钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内。
如图3钢铁基复合材料制备的装置示意图所示，本实施方式中的装置包括模具底座6、复合模具外壳8及压头1，复合模具外壳8呈空心柱状且下端通过螺钉7与模具底座6螺纹连接，复合模具外壳8由热阻大的厚度为150mm的低导热陶瓷层3及厚度为15mm热作模具钢4构成，低导热陶瓷层3周围封装有热作模具钢4，其中低导热陶瓷材料为氧化锆，热作模具钢材质为5Cr4W5Mo2V，压头1置于复合模具外壳8的内部，压头1的尺寸与复合模具外壳8的内径相匹配，且压头1能沿内壁上下活动。
实施例3
如图1、2本发明钢铁基复合材料的结构示意图所示，钢铁基复合材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，钢筋式复合材料柱以柱间距为1mm平行排列在钢铁基体内，其中钢筋式复合材料柱横截面为六边形、截面积为100mm2，且占钢铁基复合材料体积的75%。
本发明钢铁基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）首先将粘接剂混合物（粘接剂混合物为粘结剂与水按照质量比5：8均匀混合的混合物，其中粘接剂为Na2SiO3）与粒度为200目碳化钨陶瓷颗粒按照质量比5.5：100的比例混合均匀后压制成钢筋式复合材料柱后，在800℃高温下烧结1.8h，然后将烧结后的钢筋式复合材料柱平行排列；
（2）将1600℃高温钢液浇注到已排列好的钢筋式复合材料柱，浇注完成后施加100MPa的压力并持续2.5min，将停止加压后的上述熔体混合物冷却到室温即制备得钢铁基复合材料，该材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，且钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内。
如图3钢铁基复合材料制备的装置示意图所示，本实施方式中的装置包括模具底座6、复合模具外壳8及压头1，复合模具外壳8呈空心柱状且下端通过螺钉7与模具底座6螺纹连接，复合模具外壳8由热阻大的厚度为100mm的低导热陶瓷层3及厚度为10mm热作模具钢4构成，低导热陶瓷层3周围封装有热作模具钢4，其中低导热陶瓷材料为质量比为1：1的玻璃纤维和氧化铝，热作模具钢材质为5Cr4W5Mo2V，压头1置于复合模具外壳8的内部，压头1的尺寸与复合模具外壳8的内径相匹配，且压头1能沿内壁上下活动。
实施例4
如图1、2本发明钢铁基复合材料的结构示意图所示，钢铁基复合材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，钢筋式复合材料柱以柱间距为10mm平行排列在钢铁基体内，其中钢筋式复合材料柱横截面为圆形、截面积为100mm2，且占钢铁基复合材料体积的50%。
本发明钢铁基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）首先将粘接剂混合物（粘接剂混合物为粘结剂与水按照质量比5：8均匀混合的混合物，其中粘接剂为H3PO4和PVA）与粒度为200目碳化硅陶瓷颗粒按照质量比5：100的比例混合均匀后压制成钢筋式复合材料柱后，在800℃高温下烧结2h，然后将烧结后的钢筋式复合材料柱平行排列；
（2）将1600℃高温钢液浇注到已排列好的钢筋式复合材料柱，浇注完成后施加100MPa的压力并持续2.5min，将停止加压后的上述熔体混合物冷却到室温即制备得钢铁基复合材料，该材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，且钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内。
如图3钢铁基复合材料制备的装置示意图所示，本实施方式中的装置包括模具底座6、复合模具外壳8及压头1，复合模具外壳8呈空心柱状且下端通过螺钉7与模具底座6螺纹连接，复合模具外壳8由热阻大的低导热陶瓷层3及厚度为10mm热作模具钢4构成，低导热陶瓷层3周围封装有热作模具钢4，其中低导热陶瓷材料为氧化铝，热作模具钢材质为5Cr4W5Mo2V，压头1置于复合模具外壳8的内部，压头1的尺寸与复合模具外壳8的内径相匹配，且压头1能沿内壁上下活动。
实施例5
如图1、2本发明钢铁基复合材料的结构示意图所示，钢铁基复合材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，钢筋式复合材料柱以柱间距为10mm平行排列在钢铁基体内，其中钢筋式复合材料柱横截面为工字形、截面积为100mm2，且占钢铁基复合材料体积的50%。
本发明钢铁基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）首先将粘接剂混合物（粘接剂混合物为粘结剂与水按照质量比5：8均匀混合的混合物，其中粘接剂为PVA）与粒度为100目碳化钛陶瓷颗粒按照质量比5：100的比例混合均匀后压制成钢筋式复合材料柱后，在800℃高温下烧结2h，然后将烧结后的钢筋式复合材料柱平行排列；
（2）将1600℃高温钢液浇注到已排列好的钢筋式复合材料柱，浇注完成后施加100MPa的压力并持续2.5min，将停止加压后的上述熔体混合物冷却到室温即制备得钢铁基复合材料，该材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，且钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内。
如图3钢铁基复合材料制备的装置示意图所示，本实施方式中的装置包括模具底座6、复合模具外壳8及压头1，复合模具外壳8呈空心柱状且下端通过螺钉7与模具底座6螺纹连接，复合模具外壳8由热阻大的低导热陶瓷层3及厚度为10mm热作模具钢4构成，低导热陶瓷层3周围封装有热作模具钢4，压头1置于复合模具外壳8的内部，压头1的尺寸与复合模具外壳8的内径相匹配，且压头1能沿内壁上下活动。
Claims (10)
1.一种钢铁基复合材料，其特征在于：该复合材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，所述钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内，且占钢铁基复合材料体积的30%～75%。
2.根据权利要求1所述的钢铁基复合材料，其特征在于：所述钢筋式复合材料柱的横截面为四边形、五边形、六边形、圆形或工字形，其截面积为7~1000mm2。
3.根据权利要求1所述的钢铁基复合材料，其特征在于：所述两钢筋式复合材料柱的间距为1mm以上且两钢筋式复合材料柱的柱间距及分布可根据性能要求进行调整。
4.一种钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）首先将粘接剂混合物与粒度为20~300目陶瓷颗粒按照质量比5~6：100的比例混合均匀后压制成钢筋式复合材料柱后，在500~1000℃高温下烧结1.5~2h，然后将烧结后的钢筋式复合材料柱平行排列；
（2）将1580~1650℃高温钢液浇注到步骤（1）已排列好的钢筋式复合材料柱，浇注完成后施加10~150MPa的压力并持续2~3min，将停止加压后的上述熔体混合物冷却到室温即制备得钢铁基复合材料，该材料包括钢铁基体与钢筋式复合材料柱，且钢筋式复合材料柱平行排列在钢铁基体内。
5.根据权利要求4所述的钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中粘接剂混合物为粘结剂与水按照质量比（5~6）：（4~10）均匀混合的混合物，粘结剂为Na2SiO3、PVA、H3PO4中的一种或几种任意比例混合物。
6.根据权利要求4所述的钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中陶瓷颗粒为氧化铝、氧化锆、碳化钨、碳化硅或碳化钛。
7.一种制备权力要求1至3所述任意钢铁基复合材料的装置，其特征在于：该装置复合模具包括模具底座（6）、复合模具外壳（8）及压头（1），所述复合模具外壳（8）呈空心柱状且下端连接模具底座（6），复合模具外壳（8）由低导热陶瓷层（3）及热作模具钢（4）构成，低导热陶瓷层（3）周围封装有热作模具钢（4），压头（1）置于复合模具外壳（8）的内部，其尺寸与复合模具外壳（8）的内径相匹配，且压头（1）能沿复合模具外壳8的内壁上下活动。
8.根据制备权利要求7所述钢铁基复合材料的装置，其特征在于：所述模具底座（6）与复合模具外壳（8）的连接方式为通过螺钉（7）的螺纹连接。
9.根据制备权利要求7所述钢铁基复合材料的装置，其特征在于：所述低导热陶瓷层（3）的厚度为80~150mm。
10.根据制备权利要求7所述钢铁基复合材料的装置，其特征在于：所述该装置复合模具中的热作模具钢（4）的厚度为8~15mm。
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