CN107774984A - 一种碳化钨颗粒增强钢基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化钨颗粒增强钢基复合材料及其制备方法，属于耐磨材料制备技术领域，该复合材料由增强体和基体构成，增强体为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，基体为粗晶45钢金属粉，其中增强体中45钢金属粉的体积分数为10~30%，碳化钨颗粒的体积分数为70~90%，其制备方法为首先对碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末进行球磨，再将球磨后的混合粉末与粗晶45钢粉混合再进行球磨，然后进行压制，最后进行真空烧结，得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料，本发明制备工艺简单，充分考虑了复合材料的“结构效应”，增强颗粒在复合材料中所占体积分数较大，分布均匀，提高了复合材料的断裂韧性，强度几乎没有损失，具有较好的抗冲击、氧化能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化钨颗粒增强钢基复合材料及其制备方法，属于耐磨复合材料制备领域。
背景技术
我国是装备制造业大国，也是世界耐磨材料生产大国和应用大国，每年在矿山、冶金、建材、机械、国防、电力、铁道以及石化等领域都有着巨大的消耗量。传统耐磨铸铁和耐磨铸钢在工程应用中出现了韧性低和耐磨性较差的现象，针对这些技术难题，科研工作者开发了抗磨性、强度和硬度均高于传统耐磨材料的新一代耐磨复合材料。然而随着经济增速放缓，制造业成本等不断提高，在多种形势下，整个耐磨复合材料行业面临严峻的挑战。而且，世界经济布局在面临挑战的同时也进行了重新洗牌，资源与环境的双重压力正逐渐转变为强劲的驱动力，耐磨复合材料行业的新一次革命如拉弓之箭蓄势待发，因此若想在工业改革的大环境下占有一席之地，必须提高自身的科技技术水平，以创新、质量为切入点促进整体行业的发展，当前主流的复合材料制备方法是在金属基体中有目的地引入颗粒，纤维，晶须等兼具结构和功能的增强体，通过均匀分散，界面控制等调节不同组分间的协同耦合效应，从而提高复合材料的综合性能。但是这种单纯的均匀分布没有充分考虑到材料的符合构型效应，因此不能最大程度的发挥不同组元间的耦合、协同及多功能响应机制。使得复合材料在应用上受到一定的局限性。因此在考虑均匀分散，界面调控的基础上研究复合材料的构型效应对复合材料的发展具有重大意义。
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，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，而且没有考虑到复合材料的构型作用，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复合材料，该复合材料的增强体为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，基体为粗晶45钢金属粉，且增强体中45钢金属粉的体积分数为10~30%，碳化钨颗粒的体积分数为70~90%。
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，粒径<20μm，45钢金属粉的粒径为20~50μm，粗晶45钢金属粉的粒径为200~300μm。
本发明的另一目的在于提供所述碳化钨颗粒增强钢基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）粉末准备：按照体积比例将碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合，并球磨，得到球磨后的混合粉末，再按照质量比例将球磨后的混合粉末与粗晶45钢金属粉进行混合，再次球磨得到复合材料的混合粉末，其中45钢金属粉的体积分数为10~30%，碳化钨颗粒的体积分数为70~90%，其中增强体即碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末的质量分数为10~50%，基体粗晶45钢金属粉的质量分数为50~90%；
（2）预制坯压制：将步骤（1）得到的复合材料的混合粉末利用冷等静压技术将其制成压坯，得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料的预制坯，将预制坯放置于陶瓷舟中，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）得到的预制坯进行烧结，烧结完成后，随炉冷却，最终得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料。
所述步骤（1）中碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合并球磨的球磨时间为20~30h，球磨后的混合粉末与粗晶45钢金属粉进行混合再次球磨的球磨时间为8~10h，两次球磨的球磨机转速为200~300r/min。
所述步骤（3）中烧结工艺为烧结过程真空度低于20Pa，并以3~5℃/min 的升温速率升至500℃，以5~10℃/min的升温速率升温至800℃，以2~5℃/min的升温速率升至1000℃，以2~3℃/min 的升温速率升至1400~1500℃，保温100~120min，冷却过程保持原来的真空度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明在颗粒混合均匀的基础上，采用复合构型的方式能充分发挥不同组元间协同、耦合及多功能响应机制，可以在不损失强度的同时，提高复合材料的断裂韧性，从而提高复合材料的综合性能。
（2）本发明采用冷等技术压制预制坯，可以在很高的压力下，各个方向均等受力，从而压制成坯，且压坯的密度高，降低了烧结过程中出现的收缩，气孔等缺陷。
（3）本发明烧结过程中，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）本发明利用碳化钨颗粒与45钢金属粉混合均匀，且碳化钨与45钢基润湿性良好，不易出现偏聚和偏析，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）本发明的增强颗粒在复合材料中所占体积分数较大，分布均匀，提高了复合材料的断裂韧性，该碳化钨颗粒增强钢基复合材料硬度值较高，致密度良好，耐磨性优异，复合材料具有较好的抗冲击断裂、抗氧化能力。
附图说明
图1为本发明的实施例1制备的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的结构示意图。
具体实施方式
通过以下实施例进一步说明本发明，但应注意本发明的范围并不受这些实施例的限制。
实施例1：碳化钨颗粒增强钢基复合材料，具体包括：
本实施例的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的增强体为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，基体为粗晶45钢金属粉，增强体中45钢金属粉的体积分数为10%，45钢金属粉的粒径为30μm，增强体中碳化钨颗粒的体积分数为90%，碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，其颗粒的粒径为10μm，为球形颗粒，本复合材料中增强体的质量分数为50%，基体粗晶45钢金属粉的质量分数为50%，且粗晶45钢金属粉的粒径为300μm。
本实施例所述的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）粉末准备：按照碳化钨颗粒体积分数为90%，45钢金属粉的体积分数为10%的体积比例将碳化钨颗粒与细晶45钢金属粉进行混合，并采用XQM-4L行星式球磨机对混合粉末进行球磨，设置球磨机的转速为200r/min，球磨20h后得到球磨后的混合粉末，将球磨后的混合粉末与粗晶45钢金属粉按照质量比为1:1进行混合，然后球磨8h，得到碳化钨增强钢基复合材料的混合粉末，球磨时，大磨球和小磨球的数量之比为1:5，保证碳化钨颗粒均匀地分布于与之混合的45钢金属粉之中；
（2）预制坯压制：将步骤（1）得到复合材料的混合粉末放入模具中，通过冷等静压技术压制成坯，成型压力为300Mpa，再将预制坯放入陶瓷舟中；
（3）真空烧结：将步骤（2）的预制坯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20Pa，其目的是防止混合粉末在加热过程中被氧化，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5℃/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，即可得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料。
本实施例制备的碳化钨颗粒增强钢基复合材料，经磨损实验得到的结果，较单纯的颗粒增强复合材料耐磨性提高50%左右。且通过观察该复合材料结合紧密，无裂纹，气孔等缺陷，同时提高了延展率从0.5%提高到2.5%。
本实施例制备的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的结构示意图如图1所示，包括增强体和基体，增强体为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，基体为粗晶45钢金属粉。
实施例2：碳化钨颗粒增强钢基复合材料，具体包括：
本实施例的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的增强体为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，基体为粗晶45钢金属粉，增强体中45钢金属粉的体积分数为20%，45钢粉的粒径为20μm，增强体中碳化钨颗粒的体积分数为80%，碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，其颗粒的粒径为10μm，为不规则形颗粒，本复合材料中增强体的质量分数为30%，基体粗晶45钢金属粉的质量分数为70%，且粗晶45钢金属粉的粒径为250μm。
本实施例所述的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）粉末准备：按照碳化钨颗粒的体积分数为80%，45钢金属粉的体积分数为20%的体积比例将碳化钨颗粒与细晶45钢金属粉进行混合，并采用XQM-4L行星式球磨机对混合粉末进行球磨，设置球磨机的转速为250r/min，球磨25h后得到球磨后的混合粉末，将球磨后的混合粉末与粗晶45钢金属粉按照质量比3:7进行混合，然后球磨9h，得到碳化钨增强钢基复合材料的混合粉末，球磨时，大磨球和小磨球的数量之比为1:5，保证碳化钨颗粒均匀地分布于与之混合的45钢金属粉之中；
（2）预制坯压制：将步骤（1）得到复合材料的混合粉末放入模具中，通过冷等静压技术压制成坯，成型压力为300Mpa，再将预制坯放入陶瓷舟中；
（3）真空烧结：将步骤（2）的预制坯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20Pa，其目的是防止混合粉末在加热过程中被氧化，烧结工艺为：以4℃/min 的升温速率升至500℃，以8℃/min的升温速率升温至800℃，以3℃/min 的升温速率升至1000℃，以2.5℃/min 的升温速率升至1450℃，保温110min，烧结完成后，随炉冷却，冷却过程保持原来的真空度，即可得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料。
本实施例制备的碳化钨颗粒增强钢基复合材料，经磨损实验得到的结果，较单纯的颗粒增强复合材料耐磨性提高55%左右。且通过观察该复合材料结合紧密，无裂纹，气孔等缺陷，同时提高了延展率从0.5%提高到2.0%。
实施例3：碳化钨颗粒增强钢基复合材料，具体包括：
本实施例的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的增强体为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，基体为粗晶45钢金属粉，增强体中45钢金属粉的体积分数为30%，45钢粉的粒径为50μm，碳化钨颗粒的体积分数为70%，碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，其颗粒的粒径为10μm，为不规则形颗粒和球形颗粒的混合，本复合材料中增强体的质量分数为10%，基体粗晶45钢金属粉的质量分数为90%，且粗晶45钢金属粉的粒径为200μm。
本实施例所述的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）粉末准备：按照碳化钨颗粒的体积分数为70%，45钢金属粉的体积分数为30%的体积比例将碳化钨颗粒与细晶45钢金属粉进行混合，并采用XQM-4L行星式球磨机对混合粉末进行球磨，设置球磨机的转速为300r/min，球磨30h后得到球磨后的混合粉末，将球磨后的混合粉末与粗晶45钢金属粉按照质量比1:9进行混合，然后球磨10h，得到碳化钨增强钢基复合材料的混合粉末，球磨时，大磨球和小磨球的数量之比为1:5，保证碳化钨颗粒均匀地分布于与之混合的45钢金属粉之中；
（2）预制坯压制：将步骤（1）得到复合材料的混合粉末放入模具中，通过冷等静压技术压制成坯，成型压力为300Mpa，再将预制坯放入陶瓷舟中；
（3）真空烧结：将步骤（2）的预制坯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20Pa，其目的是防止混合粉末在加热过程中被氧化，烧结工艺为：以3℃/min 的升温速率升至500℃，以5℃/min的升温速率升温至800℃，以2℃/min 的升温速率升至1000℃，以2℃/min 的升温速率升至1400℃，保温100min，烧结完成后，随炉冷却，冷却过程保持原来的真空度，即可得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料。
本实施例制备的碳化钨颗粒增强钢基复合材料，经磨损实验得到的结果，较单纯的颗粒增强复合材料耐磨性提高58%左右。且通过观察该复合材料结合紧密，无裂纹，气孔等缺陷，同时提高了延展率从0.5%提高到1.8%。
Claims (6)
1.一种碳化钨颗粒增强钢基复合材料，其特征在于，该复合材料由增强体和基体构成，增强体为碳化钨颗粒与45钢金属粉的混合粉末，基体为粗晶45钢金属粉，其中增强体中 45钢金属粉的体积分数为10~30%，碳化钨颗粒的体积分数为70~90%。
2.根据权利要求1所述的碳化钨颗粒增强钢基复合材料，其特征在于：增强体的质量分数为10~50%，基体的质量分数为50~90%。
3.根据权利要求1所述的碳化钨颗粒增强钢基复合材料，其特征在于：碳化钨颗粒为铸造碳化钨颗粒，为不规则形和/或球形颗粒，粒径<20μm，45钢金属粉的粒径为20~50μm，粗晶45钢金属粉的粒径为200~300μm。
4.一种制备如权利要求1~3任意一项所述的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）粉末准备：按照体积比例将碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合，并球磨，得到球磨后的混合粉末，再按照质量比例将球磨后的混合粉末与粗晶45钢金属粉进行混合，再次球磨得到复合材料的混合粉末；
（2）预制坯压制：将步骤（1）得到的复合材料的混合粉末利用冷等静压技术将其制成压坯，得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料的预制坯；
（3）真空烧结：将步骤（2）得到的预制坯进行烧结，烧结完成后，随炉冷却，最终得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料。
5.根据权利要求4所述的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中碳化钨颗粒与45钢金属粉进行混合并球磨的球磨时间为20~30h，球磨后的混合粉末与粗晶45钢金属粉进行混合球磨的球磨时间为8~10 h，两次球磨的球磨机转速均为200~300r/min。
6.根据权利要求4所述的碳化钨颗粒增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于：烧结工艺为烧结过程真空度低于20Pa，并以3~5℃/min 的升温速率升至500℃，以5~10℃/min的升温速率升温至800℃，以2~5℃/min的升温速率升至1000℃，以2~3℃/min 的升温速率升至1400~1500℃，保温100~120min，冷却过程保持原来的真空度。
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