CN104630605B - 以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料及制备方法 - Google Patents
以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料，所述的复合陶瓷还包括蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石；所述的蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石与SiC表面的SiO2形成部分固溶的结合；所述复合陶瓷在钢基材料中均匀分布。其制备方法是：首先，将按质量比配置的钢的原料加入熔炼炉，加热；然后，将混合烘干的复合陶瓷的粉末加入熔炼炉；待陶瓷粉末及钢水完全熔化，即可浇铸出钢。采用上述技术方案，有效地降低了原材料成本；因此，降低了高耐磨、耐蚀用钢总体生产成本；实现材料的整体强化，提高了耐磨性和耐蚀性；操作工艺简单，易于在工业上推广应用。
Description
技术领域
本发明属于复合材料的技术领域。更具体地，本发明涉及以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料。另外，本发明还涉及该钢基材料的制备方法。
背景技术
磨损是材料的主要破坏形式之一，其造成的经济损失相当惊人，中国每年因磨损消耗的钢材已达数百万吨。陶瓷材料具有耐热、耐磨、耐腐蚀等优良性能。陶瓷材料强化金属材料已成为研究的热点。
现有技术中，涉及陶瓷增强的金属材料的方案有以下中国专利文献：
CN101181741A：采用工业Ti-Fe粉和B4C粉作为反应物，按照一定比例混合压坯后置于铸件内，通过自蔓燃反应在金属内形成Ti2B、TiC陶瓷增强颗粒，达到强化金属的目的；
CN101195888A：将Ti、Cr、C粉末用上述同样的方法加入铸件中，得到了(Ti、Cr)C、Cr7C3为陶瓷强化相的钢基复合材料；
CN101214541A：采用Ni、Ti和B4C压块制备了Ti2B、TiC陶瓷颗粒局部强化的锰钢；
CN102366829A：采用不同粒度的Al2O3颗粒强化提高钢的表面强度和耐磨性。采用的是在铸件表面添加Al2O3颗粒方法。由于Al2O3与钢存在界面结合问题，其强化效果达不到预想的目的。
上述专利技术基本上是在铸造模型内预置可发生自蔓燃反应的压块，通过浇铸引燃反应生成Ti2B、TiC等在铸件的表面形成强化相；或是将陶瓷颗粒置于铸腔内，通过浇铸使陶瓷颗粒分布于工件的表面，以达到表面强化的目的，但不能实现材料的整体强化。并且在铸造型膜内发生自蔓燃反应，该反应不易控制，易导致放出大量气体，会导致铸件的孔洞增加，引起强度下降。
另外，上述专利技术实现强化所采用的材料为Ti、Cr、B4C或规定目数的 Al2O3粉末，其材料的成本较高。
发明内容
本发明提供以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料，其目的是以较低成本提高钢材的整体强度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料，其中：所述的复合陶瓷还包括蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石；所述的蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石与SiC表面的SiO2形成部分固溶的结合；或者，所述的复合陶瓷还包括蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石和莫来石；所述的蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石和莫来石与SiC表面的SiO2形成部分固溶的结合；
所述复合陶瓷在钢基材料中均匀分布。
所述复合陶瓷以粉末状加入钢基材料中熔炼，其粉末粒度为1μm～20μm。
按质量计算，其成分的含量分别为：SiC：0.5％～3％，Al2O3：0.5％～3％，蓝晶石：0.2％～3％，长石：0.3％～2％，莫来石：0.2％～2％，氯化钠：0.2％～1％，硅灰石：0.10％～1.5％，Al：0.2％～1.5％，C：0.05％～0.3％，S≤0.02％，P≤0.02％；其余为Fe。
本发明还提供了以上所述的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料的制备方法，其技术方案是：
首先，将按质量比配置的钢的原料加入熔炼炉，加热；然后，将混合烘干的复合陶瓷的粉末加入熔炼炉；待陶瓷粉末及钢水完全熔化，即可浇铸出钢。
所述钢基材料采用中频炉冶炼。
所述复合陶瓷的制备工艺是：按质量比例配置成陶瓷材料，配置好的陶瓷材料混合1h～6h后，烘干，形成所述复合陶瓷的粉末。
所述钢的原料为废钢。
所述的钢基材料为铸态；或者为锻造态；或者为热轧态。
本发明采用上述技术方案，其有益效果是：
1、制备本发明复合陶瓷钢基材料所用的原料，为废钢和矿物陶瓷原料，均在市场上容易获得，且价格较低，与现有的钢基复合材料相比，有效地降低了成本，因此，降低了高耐磨、耐蚀用钢总体生产成本；
2、采用中频炉冶炼，可将陶瓷材料充分溶入钢基体，实现材料的整体强化；材料的机械性能可以达到：屈服强度350MPa～700MPa、抗拉强度600MPa～1300MPa、断面收缩率20％～35％，延伸率15％～35％；材料的硬度为45～65HRC；冲击功为50J～100J；因此，本发明提供的是一种高耐磨、耐蚀的复合材料；
3、上述复合陶瓷钢基材料可以是铸态、锻造状态、热轧态；上述制备方法的操作工艺简单，生产成本低廉，易于在工业上推广应用。
附图说明
图1是本发明中复合陶瓷含量为17％的钢基材料的金相组织显微照片(500×)；
图2是本发明中复合陶瓷含量为17％的钢基材料的金相组织显微照片(100×)；
图3是本发明中复合陶瓷含量为10％的钢基材料的金相组织显微照片(500×)；
图4是本发明中复合陶瓷含量为18％的钢基材料的金相组织显微照片(100×)。
具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明涉及用陶瓷复合材料增强钢的强度。为了实现以较低成本提高钢材的整体强度的发明目的，本发明采取的技术方案为：
本发明以SiC、Al2O3陶瓷为主，通过添加蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石 等，与SiC表面的SiO2形成部分固溶的结合，防止SiC烧损；同时，以废钢为原料，采用中频熔炼；在熔炼过程中，将复合陶瓷粉末加入钢熔炼炉中，形成SiC、Al2O3等均匀分布的陶瓷—钢基复合材料，提高材料的耐磨、耐蚀性能，并可实现材料的整体强化。
上述技术方案，1、解决了陶瓷材料低温下融化技术问题；2、解决了陶瓷比重与金属比重不等状态下，陶瓷材料悬浮性；3、以铁基为主体下陶瓷作为新钢种多元结构的结晶体；4、元晶特钢(PH钢)的耐磨性与硬度没有直接的关系；5、解决该钢种焊接、锻压、回火、淬火等加工成型技术；6、满足产品在不同工况环境下服役条件。
更具体地：
本发明的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料，其中：所述的复合陶瓷还包括蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石；所述的蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石与SiC表面的SiO2形成部分固溶的结合；或者，所述的复合陶瓷还包括蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石和莫来石；所述的蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石和莫来石与SiC表面的SiO2形成部分固溶的结合；所述复合陶瓷在钢基材料中均匀分布。
具体技术参数分别是：
所述复合陶瓷以粉末状加入钢基材料中熔炼，其粉末粒度为1μm～20μm。
按质量计算，本发明的复合陶瓷钢基材料，其成分的含量分别为：
SiC：0.5％～3％，Al2O3：0.5％～3％，蓝晶石：0.2％～3％，长石：0.3％～2％，莫来石：0.2％～2％，氯化钠：0.2％～1％，硅灰石：0.10％～1.5％，Al：0.2％～1.5％，C：0.05％～0.3％，S≤0.02％，P≤0.02％；其余为Fe。
本发明还提供了以上所述的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料的制备方法，其冶炼技术方案是：
首先，将按质量比配置的钢的原料加入熔炼炉，加热至500℃～700℃；然后，将混合烘干的复合陶瓷的粉末加入熔炼炉；待陶瓷粉末及钢水完全熔化， 即可浇铸出钢。陶瓷粉末及钢水完全熔化的温度为1600℃～1700℃，一般可取1650℃。
所述的复合钢基材料采用中频炉冶炼。
所述复合陶瓷的制备工艺是：按质量比例配置成陶瓷材料，配置好的陶瓷材料混合1h～6h后，烘干，形成所述复合陶瓷的粉末。
所述的复合陶瓷钢基材料中的钢的原料，是以废钢为原料。
本发明主要采用国内非金属陶瓷材料等铝硅酸盐原矿石粉材，与废旧金属材料，在中频电炉加热熔炼，使材料在不同温度阶段化合分解结晶。
在中频电炉有效的温度1650℃范围内，将陶瓷材料经过融化分解结晶、再分解、再结晶的三次分解结晶的过程，形成陶瓷弥散复合结构强化相变，生成新型钢种材料——元晶特钢(PH钢)。元晶特钢(PH钢)具有在保证高强度、高硬度的同时还同时具有较高韧性、高耐磨性、高耐热性能、较好的抗腐蚀性能。
上述制备方法的工艺过程分析：
在熔炼陶瓷材料时，部分非金属材料在温度处于300℃～800℃阶段开始慢慢溢出液态，溢出液态开始球化陶瓷粉末，形成大小不等的小块状和球体状。溢出的液态同时具有催化金属材料特性，使其与陶瓷材料得到同步球化、融化、分解作用，达到第一次粗放结晶。初放型结晶目的是因为陶瓷材料与金属材料的比重差值，陶瓷材料产生悬浮得到有效控制。此阶段定义为初放型结晶。
随着温度上升至900℃～1350℃阶段，初始结晶得到再次分解，但不具有完整结晶。液态相非常稀薄，原始矿石粉材非金属陶瓷中杂质随钢水的运动向炉壁聚集。炉壁的凝合物随钢水温度和钢水运动慢慢进行分解。同时凝合物也具有保护炉内壁体在高温下熔炼的损害。该阶段不能有效完全分解。此阶段定义为第二次分解杂质期。
随着温度上升至1500℃～1650℃阶段，钢水温度的上升和钢水运动加速，也慢慢出现微细结晶状态；当达到1650℃额定温度时，微结晶状态在很短时间 内快速分解。分解出少量杂质在钢水表面形成，清理杂质后钢水非常清澈、明亮，彻底分解完整液态体。此期间被称为相变分解结晶终结期，形成了完整弥散复合结构强化相变的稳定结晶体，称之为第三次的分解结晶。
该结晶体具有独特的性能，把金属材料高刚度、高强度等优点和陶瓷材料的高耐磨和耐蚀等优异性能有机的结合，使其产品高温区域保持较高的强度和硬度，不易产生疲劳裂纹；同时对常用酸、碱、盐等化学物质具有抗腐蚀能力。因此具有很强的结合力、很高的硬度和较好的高温化学稳定性，又具有较高耐磨性、低的摩擦系数。这就是以上所述的元晶特钢(PH钢)所具备的性能。
所述的复合陶瓷钢基材料可以是铸态、锻造态、热轧态。本发明的钢基复合材料具有高耐磨、耐蚀等特点。用废钢和廉价矿物的陶瓷制备复合陶瓷钢基材料，这种材料的制备方法是用中频感应熔炼制成铸件或铸锭；铸锭可通过锻造或轧制成型。
所述的复合陶瓷钢基材料的机械性能可以达到：
屈服强度350MPa～700MPa、抗拉强度600MPa～1300MPa、断面收缩率20％～35％，延伸率15％～35％；材料的硬度为45～65HRC；冲击功为50J～100J。
还具有以下性能：
在温度区域冷热不均状态下不易产生疲劳裂纹；耐蚀性能：磨量损失减少5倍以上；在5％盐酸中浸泡7天无锈蚀；在800℃时其硬度值达到最高，因此，具有优良的高温强度和高温红硬性；膨胀系数低；使用寿命是现有技术中的耐热合金钢的3～5倍以上；金相组织均匀、细腻，材料性能外表和内部一致。
上述数据和性能表明，本发明的钢基材料是一种高耐磨、耐蚀的复合材料。同时，与国内通用的耐磨材料比，几乎不含、钨、钼、锰、镍、钒、铜、钴等贵重金属，是一种资源节约型的新型高强度耐磨材料。
上述陶瓷复合钢基材料，其组成元素的原料可以通过商购获得，冶炼并制成铸件、锻造或轧制工艺是公知的现有技术。所涉及的冶金设备和工艺均为本领域技术人员所公知的。
图1、图2分别是复合陶瓷总含量为17％时的的金相组织显微照片(分别是500倍和100倍)；图3和图4是复合陶瓷总含量为10％的钢基材料的金相组织显微照片(分别是500倍和100倍)。以下提供的是本发明的各成分不同含量的实施示例：
实施例1，铸态成型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：0.5～3％，Al2O3：0.5％～3％，蓝晶石：0.2％～3％、长石：0.3％～2％、莫来石：0.2％～2％、氯化钠：0.2％～1％，硅灰石：0.10％～1.5％、Al：0.2％～1.5％，C：0.05％～0.3％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例2，铸态成型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：0.5～0.8％，Al2O3：0.5％～0.8％，蓝晶石：0.2％～0.4％、长石：0.3％～0.4％、莫来石：0.2％～0.4％、氯化钠：0.2％～0.3％，硅灰石：0.2％～0.3％、Al：0.2％～0.3％，C：0.05％～0.06％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例3，铸态成型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：0.6～0.9％，Al2O3：0.6％～0.9％，蓝晶石：0.3％～0.5％、长石：0.3％～0.5％、莫来石：0.3％～0.5％、氯化钠：0.2％～0.25％，硅灰石：0.0.25％～0.35％、Al：0.25％～0.35％，C：0.06％～0.07％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例4，铸态成型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：0.7～1％，Al2O3：0.7％～1％，蓝晶石：0.4％～0.6％、长石：0.4％～0.6％、莫来石：0.4％～0.6％、氯化钠：0.3％～0.4％，硅灰石：0.3％～0.4％、Al：0.3％～0.4％，C：0.07％～0.08％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
上述实施例1至实施例4中，复合陶瓷钢基材料采用中频炉冶炼，经铸态成型，其材料的机械性能为：屈服强度350MPa、抗拉强度600MPa、断面收缩 率13％，延伸率10％；材料的硬度为45～50HRC；冲击功为50J～70J。
实施例5，锻造成型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：1.1％～1.2％，Al2O3：0.9％～1％，蓝晶石：1.4％～1.5％、长石：1.0％～1.1％、莫来石：1.0％～1.1％、氯化钠：0.45％～0.50％，硅灰石：0.80％～0.85％、Al：0.80％～0.85％，C：0.12％～0.13％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例6，锻造成型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：1.2％～1.3％，Al2O3：1.1％～1.2％，蓝晶石：1.5％～1.6％、长石：1.1％～1.2％、莫来石：1.1％～1.2％、氯化钠：0.50％～0.55％，硅灰石：0.85％～0.90％、Al：0.85％～0.9％，C：0.13％～0.14％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例7，锻造成型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：1.3％～1.4％，Al2O3：1.2％～1.3％，蓝晶石：1.6％～1.7％、长石：1.2％～1.3％、莫来石：1.2％～1.3％、氯化钠：0.55％～0.60％，硅灰石：0.90％～0.95％、Al：0.90％～0.95％，C：0.14％～0.15％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例8，锻造成型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：1.4％～1.5％，Al2O3：1.3％～1.4％，蓝晶石：1.7％～1.8％、长石：1.3％～1.4％、莫来石：1.3％～1.4％、氯化钠：0.6％～0.65％，硅灰石：0.95％～1.0％、Al：0.95％～1.0％，C：0.15％～0.16％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
上述实施例5至实施例8中，复合陶瓷钢基材料采用中频炉冶炼，经铸态成型，其材料的机械性能为：屈服强度500MPa、抗拉强度800MPa、断面收缩率35％，延伸率20％；材料的硬度为56～60HRC；冲击功为80J～100J。
实施例9，锻轧制型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：2.6％～2.7％， Al2O3：2.6％～2.7％，蓝晶石：2.6％～2.7％、长石：1.6％～1.7％、莫来石：1.6％～1.7％、氯化钠：0.6％～0.7％，硅灰石：1.1％～1.2％，AI：1.1％～1.2％，C：0.26％～0.27％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例10，锻轧制型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：2.7％～2.8％，Al2O3：2.7％～2.8％，蓝晶石：2.7％～2.8％、长石：1.7％～1.8％、莫来石：1.7％～1.8％、氯化钠：0.7％～0.8％，硅灰石：1.2％～1.3％，AI：1.2％～1.3％，C：0.27％～0.28％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例11，锻轧制型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：2.8％～2.9％，Al2O3：2.8％～2.9％，蓝晶石：2.8％～2.9％、长石：1.8％～1.9％、莫来石：1.8％～1.9％、氯化钠：0.8％～0.9％，硅灰石：1.3％～1.4％，AI：1.3％～1.4％，C：0.28％～0.29％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
实施例12，锻轧制型：
本实施例的复合陶瓷钢基材料的成分以质量百分比计：SiC：2.9％～3.0％，Al2O3：2.9％～3.0％，蓝晶石：2.9％～3.0％、长石：1.9％～2.0％、莫来石：1.9％～2.0％、氯化钠：0.9％～1.0％，硅灰石：1.4％～1.5％，AI：1.4％～1.5％，C：0.29％～0.30％、S≤0.02％、P≤0.02％和Fe余量。
上述实施例9至实施例12中，复合陶瓷钢基材料采用中频炉冶炼，经铸态成型，其材料的机械性能为：屈服强度700MPa、抗拉强度1300MPa、断面收缩率35％，延伸率7％～15％；材料的硬度为59～65HRC；冲击功为60J～80J。
以上结合附图，对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料，其特征在于：所述的复合陶瓷还包括蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石和莫来石；所述的蓝晶石、氯化钠、硅灰石、长石和莫来石与SiC表面的SiO2形成部分固溶的结合；所述复合陶瓷在钢基材料中均匀分布；按质量计算，其成分的含量分别为：SiC：0.5％～3％，Al2O3：0.5％～3％，蓝晶石：0.2％～3％，长石：0.3％～2％，莫来石：0.2％～2％，氯化钠：0.2％～1％，硅灰石：0.10％～1.5％，Al：0.2％～1.5％，C：0.05％～0.3％，S≤0.02％，P≤0.02％；其余为Fe。
2.按照权利要求1所述的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料，其特征在于：所述复合陶瓷以粉末状加入钢基材料中熔炼，其粉末粒度为1μm～20μm。
3.按照权利要求1或2所述的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料的制备方法，其特征在于：
首先，将按质量比配置的钢的原料加入熔炼炉，加热；然后，将混合烘干的复合陶瓷的粉末加入熔炼炉；待陶瓷粉末及钢水完全熔化，即可浇铸出钢。
4.按照权利要求3所述的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料的制备方法，其特征在于：所述钢基材料采用中频炉冶炼。
5.按照权利要求3所述的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料的制备方法，其特征在于：所述复合陶瓷的制备工艺是：按质量比例配置成陶瓷材料，配置好的陶瓷材料混合1h～6h后，烘干，形成所述复合陶瓷的粉末。
6.按照权利要求3所述的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料的制备方法，其特征在于：所述钢的原料为废钢。
7.按照权利要求3所述的以SiC、Al2O3为基本组元的复合陶瓷钢基材料的制备方法，其特征在于：所述的钢基材料为铸态；或者为锻造态；或者为热轧态。
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