CN104404388A

CN104404388A - 一种陶瓷钢复合材料及其制备方法

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Publication number: CN104404388A
Application number: CN201410599466.8A
Authority: CN
Inventors: 潘应君; 张恒; 陆旭锋
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2015-03-11

Abstract

本发明公开了一种陶瓷钢复合材料及其制备方法。所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量是：B为1~10wt%，Mo为20~65wt%，Ni为1~10wt%，Mn为0.1~5wt%，Cr为1~15wt%，C为0.2~2wt%，余量为Fe。按上述成分及其含量配料，外加所述成分总量2~6wt%的成型剂，置入球磨机中湿磨20~100h，在50~80℃条件下真空干燥5~8h，筛分，将筛分后的粉末压制成型；然后将成型坯体置入烧结炉中，以3~10℃/min速率依次升温至320~500℃、750~850℃和900~1000℃，分别保温30~60min；再以2~6℃/min速率升温至1100~1400℃，保温30~90min；即得陶瓷钢复合材料。本发明成本低和工艺简单，所制备的陶瓷钢复合材料硬度高、耐酸碱腐蚀性能优良和耐磨性能好。

Description

一种陶瓷钢复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合材料领域。具体涉及一种陶瓷钢复合材料及其制备方法。

背景技术

金属基复合材料是近几年迅速发展起来的一种高技术的新型工程材料，具有高的比刚度、比强度、优良的高温性能、低的热膨胀系数、良好的耐磨和减摩性，加之其优良的加工性能、成型性能、明显的性价比优势而受到了越来越多的关注。陶瓷钢复合材料作为金属基复合材料中的一种，既具有陶瓷材料高硬度、耐酸碱腐蚀、耐磨的特点，也具有钢铁材料的塑韧性特点。

金属基复合材料的制备方法包括外加增强相和原位自生成两种。外加颗粒增强金属基复合材料的制备方法是将外来的颗粒成分添加到金属基材料中，这种方法所存在的问题有：外加颗粒增强复合材料中外加的颗粒与基体界面的结合力降低，外加颗粒周围会留有气孔裂纹等缺陷从而影响材料性能；增强颗粒在复合材料中所占的比例不高，这就使得材料的硬度、耐磨性等性能不能达到一个高的层次；同时外加颗粒增强复合材料的热力学稳定性差且其制备工艺也较复杂。

原位自生成法制备的金属基复合材料界面结合好，能得到体积分数比较大的陶瓷相。但复合工艺的灵活性差，陶瓷体形态不能控制，复合结构中容易出现尖角与孔洞，且只能得到氧化铝纳米尺度的陶瓷增强相，并不能充分发挥材料的性能。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种成本低和工艺简单的陶瓷钢复合材料的制备方法，用该方法制备的陶瓷钢复合材料硬度高、耐酸碱腐蚀性能优良和耐磨性能好。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量是：B为1~10wt%，Mo为20~65wt%，Ni为1~10wt%，Mn为0.1~5wt%，Cr为1~15wt%，C为0.2~2wt%，余量为Fe。

所述陶瓷钢复合材料的制备方法是：

步骤一、按所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量配料，外加所述陶瓷钢复合材料的成分总量2~6wt%的成型剂，得到混合料。

步骤二、将所述混合料置入球磨机中湿磨20~100h，然后在50~80℃条件下真空干燥5~8h，筛分，得到粒径为48~200μm的粉末，再将所述粉末压制成型，得到成型坯体。

步骤三、将成型坯体置入烧结炉中，先以3~10℃/min速率从室温升温至320~500℃，保温30~60min；再以3~10℃/min速率升温至750~850℃，保温30~60min；然后以3~10℃/min速率升温至900~1000℃，保温30~60min；最后以2~6℃/min速率升温至1100~1400℃，保温30~90min；随炉冷却，即得陶瓷钢复合材料。

所述球磨机中的球料质量比为（3~10）︰1；所述球为硬质合金球、钢球和刚玉球中的一种。

所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。

所述压制成型的压强为100~250MPa，保压时间为1~10min。

所述烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和放电等离子体烧结炉中的一种。

由于采用上述技术方案，本发明的有益之处在于：

本发明制备的陶瓷钢复合材料，其原料包括B元素以及过渡金属元素Mo、Fe、Cr、Ni等，不涉及钨、钴等战略物质，降低了材料的制备成本，且能获得与采用钨、钴制备的此类药芯焊丝相同或相近的性能。

本发明采用粉末冶金法，具有操作简单、工艺上容易实现的特点，为该材料的制备和应用提供了便利条件。

本发明制备的陶瓷钢复合材料在烧结过程中为液相烧结，原料粉末之间会发生原位反应生成硼化物陶瓷。这种原位生成的硼化物陶瓷为陶瓷钢复合材料的硬质相，铁基为陶瓷钢复合材料的粘接相。本发明制备的陶瓷钢复合材料既具有陶瓷的高硬度、耐酸碱腐蚀性能以及耐磨性能，也具有钢铁材料的塑韧性，使该复合材料巨有更大的应用前景。

本发明制备的陶瓷钢复合材料在烧结过程中生成的陶瓷相直接与金属熔液接触，界面结合好，能得到体积分数大的陶瓷相；所制备的陶瓷钢复合材料原料中没有氧化物、碳化物，材料复合结构中不会出现尖角和孔洞；同时，经湿磨后的混合粉末细小且均匀，烧结后得到的材料中硬质相分布均匀，硬质相和粘接相结合很好，材料各处性能均衡，能充分发挥材料性能。

本发明制备的陶瓷钢复合材料在烧结过程中发生原位反应，属于原位自生成的复合材料，所制备的陶瓷钢复合材料克服了外加颗粒增强复合材料中的弊端。

因此，本发明具有低成本和工艺简单的特点，所制备的陶瓷钢复合材料具有料硬度高、耐酸碱腐蚀性能优良和耐磨性能好的特点。

附图说明

图1为本发明制备的一种陶瓷钢复合材料的金相照片。

具体实施方式

以下通过具体的实施方式对本发明做进一步的描述，但不应理解为是本发明的限定。本领域普通技术人员根据上述方案可做出各种形式的变化，凡是基于上述思想所做的变化都属于本发明的范围。

实施例1

一种陶瓷钢复合材料及其制备方法。所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量是：B为1~4wt%，Mo为20~35wt%，Ni为7~10wt%，Mn为2~5wt%，Cr为8~15wt%，C为0.8~2wt%，余量为Fe。

所述陶瓷钢复合材料的制备方法是：

步骤一、按所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量配料，外加所述陶瓷钢复合材料的成分总量2~4wt%的成型剂，得到混合料。

步骤二、将所述混合料置入球磨机中湿磨20~80h，然后在50~80℃条件下真空干燥5~8h，筛分，得到粒径为48~150μm的粉末，再将所述粉末压制成型，得到成型坯体。

步骤三、将成型坯体置入烧结炉中，先以5~10℃/min速率从室温升温至320~400℃，保温30~60min；再以5~10℃/min速率升温至750~800℃，保温30~60min；然后以5~10℃/min速率升温至900~950℃，保温30~60min；最后以4~6℃/min速率升温至1100~1250℃，保温30~90min；随炉冷却，即得陶瓷钢复合材料。

所述球磨机中的球料质量比为（3~10）︰1；所述球为硬质合金球。

所述成型剂为液体石蜡。

所述压制成型的压强为100~200MPa，保压时间为1~6min。

所述烧结炉为真空烧结炉。

实施例2

一种陶瓷钢复合材料及其制备方法。所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量是：B为3~6wt%，Mo为30~45wt%，Ni为4~6wt%，Mn为2~5wt%，Cr为5~9wt%，C为0.8~2wt%，余量为Fe。

所述陶瓷钢复合材料的制备方法是：

步骤三、将成型坯体置入烧结炉中，先以5~10℃/min速率从室温升温至320~400℃，保温30~60min；再以5~10℃/min速率升温至750~800℃，保温30~60min；然后以5~10℃/min速率升温至900~950℃，保温30~60min；最后以4~6℃/min速率升温至1150~1300℃，保温30~90min；随炉冷却，即得陶瓷钢复合材料。

所述球磨机中的球料质量比为（3~10）︰1；所述球为钢球。

所述成型剂为硬脂酸锌。

所述压制成型的压强为100~200MPa，保压时间为1~6min。

所述烧结炉为热等静压烧结炉。

实施例3

一种陶瓷钢复合材料及其制备方法。所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量是：B为5~8wt%，Mo为40~55wt%，Ni为3~5wt%，Mn为0.1~3wt%，Cr为3~7wt%，C为0.2~1.5wt%，余量为Fe。

所述陶瓷钢复合材料的制备方法是：

步骤一、按所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量配料，外加所述陶瓷钢复合材料的成分总量3~6wt%的成型剂，得到混合料。

步骤二、将所述混合料置入球磨机中湿磨50~100h，然后在50~80℃条件下真空干燥5~8h，筛分，得到粒径为75~200μm的粉末，再将所述粉末压制成型，得到成型坯体。

步骤三、将成型坯体置入烧结炉中，先以3~8℃/min速率从室温升温至400~500℃，保温30~60min；再以3~8℃/min速率升温至800~850℃，保温30~60min；然后以3~8℃/min速率升温至950~1000℃，保温30~60min；最后以2~4℃/min速率升温至1200~1350℃，保温30~90min；随炉冷却，即得陶瓷钢复合材料。

所述球磨机中的球料质量比为（3~10）︰1；所述球为刚玉球。

所述成型剂为聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液。

所述压制成型的压强为150~250MPa，保压时间为5~10min。

所述烧结炉为放电等离子体烧结炉。

实施例4

一种陶瓷钢复合材料及其制备方法。所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量是：B为7~10wt%，Mo为50~65wt%，Ni为1~4wt%，Mn为0.1~3wt%，Cr为1~5wt%，C为0.2~1.5wt%，余量为Fe。

所述陶瓷钢复合材料的制备方法是：

步骤三、将成型坯体置入烧结炉中，先以3~8℃/min速率从室温升温至400~500℃，保温30~60min；再以3~8℃/min速率升温至800~850℃，保温30~60min；然后以3~8℃/min速率升温至950~1000℃，保温30~60min；最后以2~4℃/min速率升温至1200~1400℃，保温30~90min；随炉冷却，即得陶瓷钢复合材料。

所述成型剂为橡胶汽油溶液。

所述压制成型的压强为150~250MPa，保压时间为5~10min。

所述烧结炉为真空烧结炉。

本具体实施方式与现有技术相比，具有如下有益之处：

本具体实施方式制备的陶瓷钢复合材料，其原料包括B元素以及过渡金属元素Mo、Fe、Cr、Ni等，不涉及钨、钴等战略物质，降低了材料的制备成本，且能获得与采用钨、钴制备的此类药芯焊丝相同或相近的性能。

本具体实施方式采用粉末冶金法，具有操作简单、工艺上容易实现的特点，为该材料的制备和应用提供了便利条件。

本具体实施方式制备的陶瓷钢复合材料在烧结过程中为液相烧结，原料粉末之间会发生原位反应生成硼化物陶瓷。这种原位生成的硼化物陶瓷为陶瓷钢复合材料的硬质相，铁基为陶瓷钢复合材料的粘接相。本具体实施方式制备的陶瓷钢复合材料既具有陶瓷的高硬度、耐酸碱腐蚀性能以及耐磨性能，也具有钢铁材料的塑韧性，使该复合材料巨有更大的应用前景。

本具体实施方式制备的陶瓷钢复合材料在烧结过程中生成的陶瓷相直接与金属熔液接触，界面结合好，能得到体积分数大的陶瓷相；所制备的陶瓷钢复合材料原料中没有氧化物、碳化物，材料复合结构中不会出现尖角和孔洞；同时，经湿磨后的混合粉末细小且均匀，烧结后得到的材料中硬质相分布均匀，材料各处性能均衡，能充分发挥材料性能。如图1所示，图1为本实施例1所制备的一种陶瓷钢复合材料的金相照片，其中的白色部分为粘结相铁基合金，深色部分为硬质相硼化物陶瓷，可以看出，硬质相在材料中分布均匀，硬质相和粘接相结合很好。

本具体实施方式制备的陶瓷钢复合材料在烧结过程中发生原位反应，属于原位自生成的复合材料，所制备的陶瓷钢复合材料克服了外加颗粒增强复合材料中的弊端。

因此，本具体实施方式具有低成本和工艺简单的特点，所制备的陶瓷钢复合材料具有料硬度高、耐酸碱腐蚀性能优良和耐磨性能好的特点。

Claims

1.一种陶瓷钢复合材料的制备方法，其特征在于所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量是：B为1~10wt%，Mo为20~65wt%，Ni为1~10wt%，Mn为0.1~5wt%，Cr为1~15wt%，C为0.2~2wt%，余量为Fe；

所述陶瓷钢复合材料的制备方法是：

步骤一、按所述陶瓷钢复合材料的成分及其含量配料，外加所述陶瓷钢复合材料的成分总量2~6wt%的成型剂，得到混合料；

步骤二、将所述混合料置入球磨机中湿磨20~100h，然后在50~80℃条件下真空干燥5~8h，筛分，得到粒径为48~200μm的粉末，再将所述粉末压制成型，得到成型坯体；

2.根据权利要求1所述的陶瓷钢复合材料的制备方法，其特征在于所述球磨机中的球料质量比为（3~10）︰1；所述球为硬质合金球、钢球和刚玉球中的一种。

3.根据权利要求1所述的陶瓷钢复合材料的制备方法，其特征在于所述成型剂为液体石蜡、硬脂酸锌、聚乙烯醇缩丁醛无水乙醇溶液、橡胶汽油溶液中的一种。

4.根据权利要求1所述的陶瓷钢复合材料的制备方法，其特征在于所述压制成型的压强为100~250MPa，保压时间为1~10min。

5.根据权利要求1所述的陶瓷钢复合材料的制备方法，其特征在于所述烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和放电等离子体烧结炉中的一种。

6.一种陶瓷钢复合材料，其特征在于所述陶瓷钢复合材料是根据权利要求1~5项中任一项所述陶瓷钢复合材料的制备方法所述制备的陶瓷钢复合材料。