CN106424740B - 一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料及其制备方法，属于耐磨材料制备技术领域，该复合材料由复合层、过渡层、基材层三层构成，过渡层位于复合层和基材层之间，复合层为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，过渡层为钨粉与45钢金属粉的混合粉末，基材层为45钢金属粉；其制备方法是先准备粉末，再压制预制坯，最后进行真空烧结，得到碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料；本发明制备温度较低，增强颗粒在基体中的分布均匀性好，制得的碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料不含有杂质，性能较高，有利于环保，可以在激冷激热、冲击磨损等复杂工况下服役，具有较好的抗冲击、氧化能力。

Description

一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料及其制备方法，属于复合材料制备领域。

背景技术

在矿山、机械、建材等领域使用的工件中，要求工件不仅要具有良好的耐磨性以延长使用寿命，而且还要具有良好的热物理性能来确保工件使用的安全性，避免工件在激冷激热、高速、高冲击等复杂工况环境下产生裂纹，使材料失效。目前，为了解工件在特殊复杂工况条件下作业，科研者们研发了耐磨钢。虽以耐磨钢为代表生产的金属件具有很好的热物理性质，可以解决激冷激热、高速、高冲击这一复杂工况，但它们还都有个共同的缺陷就是耐磨性较差，这就严重降低了工件的使用寿命，最终导致零件更换频繁，耗费了大量的人力物力财力，这与我国现阶段推行的“节能减排”、“绿色经济”政策相违背。尽管现在此类材料缺陷很大，但在未开发出合适的新材料完全取代该材料的地位之前，这类材料仍然是当今工业应用的主体。因此，为解决这一关键科学技术问题而研发出既具有高耐磨性能、又具有良好的力学性能的材料，不仅是当今科研的一个热点研究方向，也是为我国抢占新材料应用技术和高端制造所提供一个重要机遇。陶瓷颗粒增强金属基复合材料因其兼有金属基体良好的韧性和增强颗粒的较高的强度、模量和硬度，且其本身又具有很好的耐磨损，耐腐蚀，易于制备，成本低廉等综合性能，从而引起各国政府、工业部门和高校科研人员的重视，也使其得到了迅速的发展，并被誉为先进复合材料，且部分材料已经在工业中实现了生产应用。

中国发明专利 CN104209496A介绍了一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置及方法，这种方法是将增强颗粒放置于自制的真空实型铸渗装置中的石英管中，借助真空密封技术，提高金属液的充型能力，以利于金属液在增强颗粒间的渗透，从而获得更厚的复合层；这种方法的缺点是泡沫燃烧产生的气体及复合层中的粘结剂气化产生的气体都会使复合材料内部容易出现气孔的缺陷，无法生产结构复杂和致密性较高的零部件，并且复合层内的增强颗粒难以避免的产生分布不均匀等现象，影响复合材料的使用寿命。

中国发明专利 CN103667851A公布了一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，先将颗粒和基体粉末进行球磨混粉，然后利用放电等离子烧结（SPS）将混合粉末烧结成预制坯，最后将预制坯放入真空管式炉中进行重熔，这种方法制备的复合材料优点是可以使增强颗粒均匀的分布在复合材料内部，缺点是由于颗粒与基体润湿性较差，而重熔温度又不高，导致增强颗粒与基体不能发生充分的冶金反应，生成的界面宽度较低，最终使复合材料的力学性能提高的很少，且此工艺性价比也很低，从而限制了它在工业上的使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料，由复合层、基材层、过渡层三层构成，过渡层位于基材层和复合层之间，所述复合层为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，过渡层为钨粉与45钢金属粉的混合粉末，基材层为45钢金属粉。

所述复合层混合粉末中45钢金属粉的体积百分数为50~90%，碳化钨颗粒的体积百分数为10~50%。

所述碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，为不规则形和/或球形颗粒，粒度为180~550μm。

所述过渡层混合粉末中45钢金属粉的质量百分数为50~90%，钨粉的质量百分数为10~50%，钨粉的粒度为0.6~30μm。

本发明的另一目的在于提供所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）粉末准备：按照比例将钨粉与45钢金属粉进行混合，球磨得到过渡层混合粉末，将碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合，球磨得到复合层混合粉末，分别球磨8~10h，保证粉末混合均匀，并单独准备基材层45钢金属粉；

（2）预制坯压制：将步骤（1）得到的复合层混合粉末、过渡层混合粉末和基材层45钢金属粉依次铺层，利用动磁压制技术将其压制成压坯，得到碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料预制坯，将预制坯放置于刚玉舟中，再将预制坯与刚玉舟一同放入到大陶瓷舟中，防止熔融的液态金属溢出，起到保护管式炉的目的；

（3）真空烧结：将步骤（2）大陶瓷舟放入管式炉中进行烧结，管式炉抽真空至真空度低于28Pa，烧结工艺为：以5~8℃/min 的升温速率升至500℃，以10~15℃/min的升温速率升温至800℃，以5~8℃/min 的升温速率升至1000℃，以3~5℃/min 的升温速率升至1400~1500℃，保温100~120min，烧结完成后，随炉冷却，冷却过程保持原来的真空度，得到碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料。

步骤（1）所述球磨机转速为200~300r/min。

本发明与目前已有的制备技术相比具有以下特点：

（1）增加了钨粉和45钢金属粉的混合粉末的过渡层，使得复合材料界面上受力时不易产生微裂纹，防止复合层脱落，此过渡层的存在能够避免复合层与基材层在性能上发生突变，可以提高复合层与基材层的结合强度，即结构上的过渡导致性能上的过渡。

（2）本发明采用动磁压制技术压制预制坯，无需使用模具，可以达到很高的压制压力，维修费用和成本也较低，而且，粉末中不需添加任何润滑剂和粘结剂，有利于烧结和环保，而且压坯的密度较高，从而降低了烧结收缩率。

（3）烧结过程中，采用阶梯式温度烧结工艺，能够保证每一层的组织都能充分反应，并且拥有良好的致密性。

（4）复合层中碳化钨颗粒45钢金属粉混合均匀，不易出现偏聚和偏析，且无明显聚集成团现象，碳化钨颗粒表面纯净，与45钢金属粉充分发生冶金反应，界面结合强度高且致密结合良好。

（5）制备出的碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料硬度值较高，耐磨性优异，且表面质量好，尺寸精度较高，组织致密，没有夹杂和裂纹等缺陷，复合材料具有较好的抗冲击、抗氧化能力，且同时兼有增强颗粒高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等优良特性。

附图说明

图1为本发明实施例1动磁压制技术高强磁场下压制原理图；

图2为本发明实施例1不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料SEM形貌图；

图3为本发明实施例1不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料复合层的XRD衍射图谱；

图4为本发明实施例1不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的照片；

图5为本发明实施例2球形碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料SEM形貌图；

图6为本发明实施例2球形碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料复合层的XRD衍射图谱；

图中：1-圆柱形导电容器，2-复合层，3-过渡层，4-基材层，5-线圈。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容

实施例1

本实施例所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料，由复合层、过渡层、基材层三层构成，厚度分别为12mm、9mm、12mm，过渡层位于基材层和复合层之间，复合层为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，过渡层为钨粉与45钢金属粉的混合粉末，基材层为45钢金属粉，过渡层混合粉末中45钢金属粉的质量百分数为70%，钨粉的质量百分数为30%，钨粉的粒度为0.6~30μm，复合层混合粉末中45钢金属粉的体积百分数为60%，碳化钨颗粒的体积百分数为40%，碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，为不规则形状颗粒，粒度为180~250μm。

本实施例所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）粉末准备：采用XQM-4L行星式球磨机进行混合粉末的球磨，设置球磨机的转速为300r/min，按照比例将钨粉与45钢金属粉进行混合，球磨10h得到过渡层混合粉末，将碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合，球磨10h得到复合层混合粉末，球磨时，大磨球和小磨球的数量之比为1:5，保证钨粉和碳化钨颗粒均匀地分布于与之混合的45钢金属粉之中，另外单独准备基材层45钢金属粉；

（2）预制坯压制：将步骤（1）得到的三种粉末按照基材区、过渡区、复合区、过渡区、基材区的顺序自上而下依次铺设于圆柱形导电容器内，复合层、过渡层、基材层厚度分别为12mm、9mm、12mm，利用动磁压制技术将其压制成圆柱体预制坯，如图1所示，1为圆柱形导电容器，2为复合层，3为过渡层，4为基材层，5为线圈，将预制坯放置于Φ16×70mm刚玉舟中，再将预制坯与刚玉舟一同放入100×56×35mm的大陶瓷舟中，防止熔融的液态金属溢出，起到保护管式炉目的；

（3）真空烧结：将步骤（2）大陶瓷舟放入管式炉中进行烧结，先对管式炉进行抽真空，要求管式炉中真空度低于28Pa，其目的是防止混合粉末被氧化，烧结工艺为：以5℃/min的升温速率升至500℃，以10℃/min的升温速率升温至800℃，以8℃/min 的升温速率升至1000℃，以3℃/min 的升温速率升至1500℃，保温120min，烧结完成后，随炉冷却，冷却过程保持原来的真空度，退模沿复合层中间切开，即可获得两个不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料。

本实施例制备的不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料尺寸为Φ12×33mm，对试样进行压缩测试，测得压缩屈服强度为948.6MPa，抗压强度为1184.73MPa，硬度为70.2HRC。

利用扫描电镜（SEM）观察到本实施例制备得到的不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料形貌，如图2所示，不规则碳化钨颗粒周围有明显的界面反应区，且不规则碳化钨颗粒在复合材料中的平面形态都趋于圆形，且有向规则（球形）碳化钨颗粒变化的趋势，这是由于不规则碳化钨颗粒大多具有比较凸出的地方且并不十分规整，这些凸出部分将优先于其它平整或者凹处部分反应熔解，故不规则碳化钨颗粒有向规则碳化钨颗粒变化的趋势；对实施例1所制备得到的不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料进行XRD分析，如图3所示，可以看出制备的不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料由WC、W₂C、Fe₃W₃C和α-Fe组成，揭示了复合层以及添加钨粉的过渡层其物相组成，证明过渡层钨元素会向复合层和基材层扩散，而向两边扩散后生成的界面相能够避免复合层和基材组织在性能上的突变，提高复合层与基材的结合强度，进而避免复合层剥落以提高复合材料耐磨性；图4为实际得到的不规则碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料，从图中可以看出材料明显分为复合层、过渡层、基材层，且三层结合紧密。

实施例2

本实施例所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料，由复合层、过渡层、基材层三层构成，厚度分别为10mm、8mm、10mm，过渡层位于基材层和复合层之间，复合层为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，过渡层为钨粉与45钢金属粉的混合粉末，基材层为45钢金属粉，过渡层混合粉末中45钢金属粉的质量百分数为90%，钨粉的质量百分数为10%，钨粉的粒度为0.6~15μm，复合层混合粉末中45钢金属粉的体积百分数为90%，碳化钨颗粒的体积百分数为10%，碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，为球形颗粒，粒度为380~550μm。

本实施例所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的其制备方法，具体包括以下步骤：

（1）粉末准备：采用XQM-4L行星式球磨机进行混合粉末的球磨，设置球磨机的转速为200r/min，按照比例将钨粉与45钢金属粉进行混合，球磨9h得到过渡层混合粉末，将碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合，球磨8h得到复合层混合粉末，球磨时，大磨球和小磨球的数量之比为1:5，保证钨粉和碳化钨颗粒均匀地分布于与之混合的45钢金属粉之中，另外单独准备基材层45钢金属粉；

（2）预制坯压制：将步骤（1）得到的三种粉末按照基材区、过渡区、复合区、过渡区以及基材区的顺序自上而下依次铺设于导电容器内，复合层、过渡层、基材层厚度分别为10mm、8mm、10mm，利用动磁压制技术将其压制成圆柱体压坯。将预制坯放置于Φ16×60mm刚玉舟中，再将预制坯与刚玉舟一同放入100×56×35mm的大陶瓷舟中，防止熔融的液态金属溢出，起到保护管式炉目的；

（3）真空烧结：将步骤（2）大陶瓷舟放入管式炉中进行烧结，先对管式炉进行抽真空，要求管式炉中真空度要低于28Pa，其目的是防止混合粉末被氧化，烧结工艺为：以8℃/min 的升温速率升至500℃，以15℃/min的升温速率升温至800℃，以5℃/min 的升温速率升至1000℃，以5℃/min 的升温速率升至1400℃，保温110min，烧结完成后，随炉冷却，冷却过程保持原来的真空度，退模沿复合层中间切开，即可获得两个球形碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料。

本实施例制备的球形碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料尺寸为Φ13×28mm，对试样进行压缩测试，测得压缩屈服强度为963.4MPa，抗压强度为1216.49MPa，硬度为69.3HRC，完全符合力学测试性能要求。

利用扫描电镜（SEM）观察到本实施例制备得到的球形碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料形貌，如图5所示，球形碳化钨颗粒与金属基体发生冶金界面反应，颗粒分布均匀，无聚集成团现象，球形碳化钨颗粒呈较规则的球形，界面形态呈现不连续状，其界面组成物为间断的块状结构；对实施例2所制备得到的碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料进行XRD分析，实施例2的碳化钨为圆形颗粒，如图6所示，可以看出制备的球形碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料由WC、W₂C、Fe₃W₃C和α-Fe组成，揭示了复合层以及添加钨粉的过渡层其物相组成，证明过渡层钨元素会向复合层和基材层扩散，而向两边扩散后生成的界面相能够避免复合层和基材组织在性能上的突变，提高复合层与基材的结合强度，进而避免复合层剥落以提高复合材料耐磨性。

实施例3

本实施例所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料，由复合层、过渡层、基材层三层构成，厚度分别为8mm、8mm、8mm，过渡层位于基材层和复合层之间，复合层为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，过渡层为钨粉与45钢金属粉的混合粉末，基材层为45钢金属粉，过渡层混合粉末中45钢金属粉的质量百分数为50%，钨粉的质量百分数为50%，钨粉的粒度为15~30μm，复合层混合粉末中45钢金属粉的体积百分数为50%，碳化钨颗粒的体积百分数为50%，碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，为不规则形和球形两种颗粒混合，粒度为180~400μm。

本实施例所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的其制备方法，具体包括以下步骤：

（1）粉末准备：采用XQM-4L行星式球磨机进行混合粉末的球磨，设置球磨机的转速为250r/min，按照比例将钨粉与45钢金属粉进行混合，球磨8h得到过渡层混合粉末，将碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合，球磨9h得到复合层混合粉末，球磨时，大磨球和小磨球的数量之比为1:5，保证钨粉和碳化钨颗粒均匀地分布于与之混合的45钢金属粉之中，另外单独准备基材层45钢金属粉；

（2）预制坯压制：将步骤（1）得到的三种粉末按照基材区、过渡区、复合区、过渡区、基材区的顺序自上而下依次铺设于导电容器内，复合层、过渡层、基材层厚度分别为8mm、8mm、8mm，利用动磁压制技术将其压制成圆柱体压坯，将预制坯放置于Φ16×60mm刚玉舟中，再将预制坯与刚玉舟一同放入100×56×35mm的大陶瓷舟中，防止熔融的液态金属溢出，起到保护管式炉目的；

（3）真空烧结：将步骤（2）大陶瓷舟放入管式炉中进行烧结，先对管式炉进行抽真空，要求管式炉中真空度要低于28Pa，其目的是防止混合粉末被氧化，烧结工艺为：以6℃/min 的升温速率升至500℃，以12℃/min的升温速率升温至800℃，以6℃/min 的升温速率升至1000℃，以4℃/min 的升温速率升至1480℃，保温100min，烧结完成后，随炉冷却，冷却过程保持原来的真空度，退模沿复合层中间切开，即可获得两个混合碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料。

本实施例制备的混合碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料尺寸为Φ14×24mm，对试样进行压缩测试，测得压缩屈服强度为948.1MPa，抗压强度为1284.36MPa，硬度为67.9HRC，完全符合力学测试性能要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）粉末准备：按照比例将钨粉与45钢金属粉进行混合球磨得到过渡层混合粉末，将碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合球磨得到复合层混合粉末，球磨8~10h，并准备基材层45钢金属粉；

（2）预制坯压制：将步骤（1）得到的复合层混合粉末、过渡层混合粉末和基材层45钢金属粉依次铺层，过渡层位于基材层和复合层之间，利用动磁压制技术将其制成压坯，得到碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料预制坯；

（3）真空烧结：将步骤（2）得到的碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料预制坯进行烧结，烧结过程真空度低于28Pa，烧结工艺为：以5~8℃/min 的升温速率升至500℃，以10~15℃/min的升温速率升温至800℃，以5~8℃/min 的升温速率升至1000℃，以3~5℃/min 的升温速率升至1400~1500℃，保温100~120min，烧结完成后，随炉冷却，冷却过程保持原来的真空度，得到碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料。

2.根据权利要求1所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述复合层混合粉末中45钢金属粉的体积百分数为50~90%，碳化钨颗粒的体积百分数为10~50%。

3.根据权利要求1所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，为不规则形和/或球形颗粒，粒度为180~550μm。

4.根据权利要求1所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述过渡层混合粉末中45钢金属粉的质量百分数为50~90%，钨粉的质量百分数为10~50%，钨粉的粒度为0.6~30μm。

5.根据权利要求1所述碳化钨颗粒增强钢基表层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述球磨机转速为200~300r/min。