CN107904511B - 陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法与用途 - Google Patents

陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法与用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料，以质量份数计，它包括25～40份陶瓷组分和60～75份铁基组分；其中，所述陶瓷组分包括0.8～1.2 mm的陶瓷微粒、1.8～2.2 mm的陶瓷细粒和2.6～3 mm的陶瓷粗粒；所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒的体积比为1∶（2～4）∶1。该复合材料具有硬度高、耐磨性好、抗拉伸强度高等优点。同时，本发明还提供包括该复合材料的耐磨件及其制备方法。

Description

陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法与用途
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料，具体的，涉及一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法与用途。
背景技术
陶瓷颗粒增强铁基复合材料(Particle-reinforced Ferrous MatrixComposites，简称PFMCs)耐磨件可以将金属材料的高强度、良好的塑性和冲击韧性、易成型等性能特点和陶瓷增强颗粒的高硬度、高耐磨性等优点相结合，克服传统耐磨材料耐磨性偏低且耐磨性与强韧性相互制约的难题，在粮食加工、水泥、电力、矿山、煤炭等领域的物料粉碎机械中具有广阔的应用前景。
目前，各方研究人员已经对陶瓷颗粒增强铁基复合材料中陶瓷颗粒的种类和用量进行了大量的实验，中国专利2007100299437公开了一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，通过将粒度为1mm～7mm的金属陶瓷颗粒放置在铸造型腔之内；再向铸型内浇注钢液或铸铁液，静态凝固冷却，制备得到陶瓷颗粒增强铁基复合材料。该复合材料中陶瓷颗粒选择金属陶瓷WC-Co，WC虽然和基体润湿较好，但是价格昂贵，且与基体的热膨胀系数相差较大，严重影响了该复合材料的性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法与用途。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料，以质量份数计，它包括25～40份陶瓷组分和60～75份铁基组分；其中，所述陶瓷组分包括0.8～1.2mm的陶瓷微粒、1.8～2.2mm的陶瓷细粒和2.6～3mm的陶瓷粗粒；所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒的体积比为1∶(2～4)∶1。
基于上述，所述陶瓷组分均由陶瓷原料组成，以质量份数计，所述陶瓷原料包括：70～79.5份三氧化二铝、10～15份二氧化锆、10～15份氧化钇、0.01～0.02份二氧化钛、0.01～0.03份二氧化硅、0.01～0.02份三氧化二铁和0.01～0.02份氧化钠。
基于上述，所述陶瓷组分的制备方法包括：将所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒混合均匀，然后真空干燥得到所述陶瓷组分。
基于上述，所述铁基组分由以下质量百分数的元素组成：3.0％～3.3％碳元素、0.7％～0.9％锰元素、0.5％～0.7％硅元素、18％～23％铬元素、0.2％～0.4％钼元素、余量为铁元素。
一种耐磨件，它包括金属基体和设置于所述金属基体上的工作层，所述工作层包括上述的陶瓷颗粒增强铁基复合材料。
基于上述，所述工作层的表面硬度为330～480HV，所述工作层的耐磨性为86～158mm3。
一种上述耐磨件的制备方法，其包括以下步骤：
熔炼以质量份数计，先将生铁、废钢、中碳铬铁、钼铁、锰铁和硅铁置于电炉中进行熔炼，得到所述铁基组分的熔体；其中，所述熔体包括以下质量百分数的元素：3.0％～3.3％碳元素、0.7％～0.9％锰元素、0.5％～0.7％硅元素、18％～23％铬元素、0.2％～0.4％钼元素、余量为铁元素。
混合在1400～1420℃条件下，边搅拌边向所述熔体中加入所述陶瓷组分并继续进行搅拌加热，形成所述工作层的熔体；
浇注在1450～1460℃条件下，将所述工作层的熔体移出，在1380～1390℃条件下，以0.4～0.5m/s的速度浇注所述金属基体的熔液，冷却、取出、清磨、热处理后得到所述耐磨件。
基于上述，所述熔炼的步骤包括：先将所述生铁、所述钼铁、所述废钢及1/3～1/2的所述中碳铬铁装入电炉的炉底，再将废钢按照上松下紧的原则装填入电炉进行熔化，待所述废钢完全熔化后加入其余所述中碳铬铁，化清后加入所述锰铁和所述硅铁进行脱氧处理，得到所述铁基组分的熔体。
优选的，所述生铁应为低硅生铁，所述中碳铬铁中碳元素的质量分数为0.5％～4％，硅元素的质量分数小于2％，铬元素和铁元素的质量比大于2.8；所述废钢是钢铁厂生产过程中不成为产品的钢铁废料，且碳元素的质量分数小于2.0％，硫元素、磷元素的质量分数均不大于0.05％；所述钼铁中钼元素的质量分数为50％～60％；所述锰铁中锰元素的质量分数为30％～40％，锰元素和铁元素的质量比大于7，磷元素和锰元素的质量比小于0.003；所述硅铁中硅元素的质量分数为0.40％～2.8％。
与现有技术相比，本发明具有突出的特点和显著进步。具体来说，本发明提供一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料，该复合材料包括陶瓷组分和铁基组分，所述陶瓷组分的颗粒过小，所述铁基组分对所述陶瓷组分的包裹面积较小，在该复合材料的使用过程中陶瓷颗粒容易整颗拨出；所述陶瓷组分的颗粒过大，在该复合材料受到较强冲击作用下容易发生脆性断裂；本发明中陶瓷组分包括粒径不同的陶瓷微粒、陶瓷细粒和陶瓷粗粒，三种陶瓷颗粒相互结合，不仅可以有效提高陶瓷颗粒和铁基组分的结合力，避免陶瓷颗粒的脱出，还可以提高该复合材料的韧性，避免发生断裂以提高材料的耐磨性；另外，所述陶瓷组分主要采用二氧化锆增韧三氧化二铝，且和其他陶瓷组分共同作用提高该复合材料耐磨性能，而且，在室温至200℃范围内该陶瓷组分的热膨胀系数与所述铁基组分相近，极大的避免温度对该复合材料的影响。
同时，本发明还提供一种耐磨件，该耐磨件的工作层中包括上述复合材料，通过该复合材料来改善所述耐磨件的使用性能，降低磨损，延长使用寿命；最后，本发明还提供该耐磨件的制备方法，该方法简单，易操作，适于工业生产。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料，以质量份数计，它包括75份铁基组分和25份陶瓷组分；其中，所述陶瓷组分包括1.0mm的陶瓷微粒、2.0mm的陶瓷细粒和2.8mm的陶瓷粗粒；所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒的体积比为1∶3∶1；其中，所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒的组分相同，以质量份数计，所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒中分别由75份三氧化二铝、13份二氧化锆、13份氧化钇、0.01份二氧化钛、0.03份二氧化硅、0.01份三氧化二铁和0.02份氧化钠构成。
所述陶瓷组分的制备方法包括：将所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒混合均匀，然后真空干燥得到所述陶瓷组分。
本实施例还提供一种耐磨件，它包括金属基体和设置于所述金属基体上的工作层，所述工作层包括上述的陶瓷颗粒增强铁基复合材料。
本实施例还提供该耐磨件的制备方法，其包括以下步骤：
熔炼先将所述生铁、所述钼铁、所述废钢及1/3的所述中碳铬铁装入电炉的炉底，再将废钢按照上松下紧的原则装填入电炉进行熔化，待所述废钢完全熔化后加入其余所述中碳铬铁，以降低铬在熔炼过程中的损失，化清后加入所述锰铁和所述硅铁进行脱氧处理，直到熔体由以下质量百分数的元素组成：3.0％碳元素、0.7％锰元素、0.5％硅元素、18％铬元素、0.2％钼元素、余量为铁元素，得到所述铁基组分的熔体；
混合在1400～1420℃条件下，向所述熔体中加入所述陶瓷组分并进行搅拌，继续加热，形成所述工作层的熔体；
浇注在1450～1460℃条件下，将所述工作层的熔体移出，在1380～1390℃条件下，以0.4～0.5m/s的速度浇注所述金属基体的熔液，冷却、取出、清磨、热处理后得到所述耐磨件。
实施例2
本实施例提供一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料，以质量份数计，它包括65份铁基组分和35份陶瓷组分；其中，所述陶瓷组分包括0.8mm的陶瓷微粒、1.8mm的陶瓷细粒和2.6mm的陶瓷粗粒；所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒的体积比为1∶2∶1；以质量份数计，所述陶瓷微粒中由73份三氧化二铝、12份二氧化锆、15份氧化钇、0.02份二氧化钛、0.02份二氧化硅、0.01份三氧化二铁和0.02份氧化钠构成；所述陶瓷细粒由79份三氧化二铝、15份二氧化锆、13份氧化钇、0.01份二氧化钛、0.03份二氧化硅、0.01份三氧化二铁和0.02份氧化钠构成；所述陶瓷粗粒由76份三氧化二铝、11份二氧化锆、15份氧化钇、0.01份二氧化钛、0.03份二氧化硅、0.01份三氧化二铁和0.01份氧化钠构成。
所述陶瓷组分的制备方法包括：将所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒混合均匀，然后真空干燥得到所述陶瓷组分。
本实施例还提供一种耐磨件，它包括金属基体和设置于所述金属基体上的工作层，所述工作层包括上述的陶瓷颗粒增强铁基复合材料。
本实施例还提供该耐磨件的制备方法，其包括以下步骤：
熔炼先将所述生铁、所述钼铁、所述废钢及1/3的所述中碳铬铁装入电炉的炉底，再将废钢按照上松下紧的原则装填入电炉进行熔化，待所述废钢完全熔化后加入其余所述中碳铬铁，以降低铬在熔炼过程中的损失，化清后加入所述锰铁和所述硅铁进行脱氧处理，直到熔体由以下质量百分数的元素组成：3.3％碳元素、0.9％锰元素、0.7％硅元素、23％铬元素、0.4％钼元素、余量为铁元素，得到所述铁基组分的熔体；
混合在1400～1420℃条件下，向所述熔体中加入所述陶瓷组分并进行搅拌，继续加热，形成所述工作层的熔体；
浇注在1450～1460℃条件下，将所述工作层的熔体移出，在1380～1390℃条件下，以0.4～0.5m/s的速度浇注所述金属基体的熔液，冷却、取出、清磨、热处理后得到所述耐磨件。
实施例3
本实施例提供一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料，以质量份数计，它包括60份铁基组分和40份陶瓷组分；其中，所述陶瓷组分包括1.2mm的陶瓷微粒、2.2mm的陶瓷细粒和2.6mm的陶瓷粗粒；所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒的体积比为1∶4∶1；其中，所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒的组分相同，以质量份数计，所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒中分别由79.5份三氧化二铝、15份二氧化锆、10份氧化钇、0.02份二氧化钛、0.01份二氧化硅、0.02份三氧化二铁和0.01份氧化钠构成。
所述陶瓷组分的制备方法包括：将所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒混合均匀，然后真空干燥得到所述陶瓷组分。
本实施例还提供一种耐磨件，它包括金属基体和设置于所述金属基体上的工作层，所述工作层包括上述的陶瓷颗粒增强铁基复合材料。
本实施例还提供该耐磨件的制备方法，其包括以下步骤：
熔炼先将所述生铁、所述钼铁、所述废钢及1/2的所述中碳铬铁装入电炉的炉底，再将废钢按照上松下紧的原则装填入电炉进行熔化，待所述废钢完全熔化后加入其余所述中碳铬铁，以降低铬在熔炼过程中的损失，化清后加入所述锰铁和所述硅铁进行脱氧处理，直到熔体由以下质量百分数的元素组成：3.2％碳元素、0.8％锰元素、0.6％硅元素、20％铬元素、0.3％钼元素、余量为铁元素，得到所述铁基组分的熔体；
混合在1400～1420℃条件下，向所述熔体中加入所述陶瓷组分并进行搅拌，继续加热，形成所述工作层的熔体；
浇注在1450～1460℃条件下，将所述工作层的熔体移出，在1380～1390℃条件下，以0.4～0.5m/s的速度浇注所述金属基体的熔液，冷却、取出、清磨、热处理后得到所述耐磨件。
对比实验1
本对比实验与实施例1的区别在于：所述陶瓷组分由所述陶瓷微粒构成。
对比实验2
本对比实验与实施例1的区别在于：所述陶瓷组分由所述陶瓷细粒构成。
对比实验3
本对比实验与实施例1的区别在于：所述陶瓷组分由所述陶瓷粗粒构成。
性能检测
对实施例1～3、对比实验1～3的耐磨件和市售高铬铸铁的硬度和耐磨性进行测试。
硬度的测定方法：采用HVS-1000A数显显微硬度计对材料的显微硬度进行测量。测试前用细金相砂纸将试样表面磨平且保证试样上下表面平行。显微硬度测试过程中，加载载荷为0.5kg，压球直径为3.0mm，加载时间为30s。卸载后通过显微镜测量压痕的平均直径，通过换算查出硬度值。为了确保测量的准确性，在每个试样的多个位置进行多次测量，求其平均值作为该试样的显微硬度值。
耐磨性测定方法：采用MMH-5环块三体磨损试验机进行耐磨性测试。测试时，磨料为石英砂，主轴转速为30r/min，载荷采用砝码加载的方式，单轴试验力3kg；各试样首先预磨10min(预磨的主要目的是将上下试样摩擦面之间的不合之处磨平，使试样的磨损面均匀磨损)后将试样进行超声波清洗，干燥，再称重，记为m0；然后再将试样磨损120min进行超声波清洗，干燥，再称重，记为m1。由于复合材料与基体的密度不同，质量损失没有可比性，因此采用体积损失来评价材料的耐磨性能。则磨损体积V(mm3)可由式(1)表示：
V＝(m0-m1)/ρ (1)
ρ为复合材料的密度，可由(2)式计算：
ρ＝a·ρP+(1-a)·ρm (2)
式中a为陶瓷颗粒的体积分数，ρP为陶瓷颗粒的密度，ρm为基体的密度。
表1 实施例1～3的耐磨件的性能参数
由表1可知，本发明中陶瓷组分包括粒径不同的陶瓷微粒、陶瓷细粒和陶瓷粗粒，三种陶瓷颗粒相互结合，不仅可以有效提高陶瓷颗粒和铁基组分的结合力，避免陶瓷颗粒的脱出，还可以提高该复合材料的韧性，避免发生断裂以提高材料的耐磨性。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1. 一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，以质量份数计，它包括25～40份陶瓷组分和60～75份铁基组分；其中，所述陶瓷组分包括0.8～1.2 mm的陶瓷微粒、1.8～2.2mm的陶瓷细粒和2.6～3 mm的陶瓷粗粒；所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒的体积比为1∶（2～4）∶1；
所述陶瓷组分均由陶瓷原料组成，以质量份数计，所述陶瓷原料包括：70～79.5份三氧化二铝、10～15份二氧化锆、10～15份氧化钇、0.01～0.02份二氧化钛、0.01～0.03份二氧化硅、0.01～0.02份三氧化二铁和0.01～0.02份氧化钠；所述铁基组分由以下质量百分数的元素组成：3.0%～3.3%碳元素、0.7%～0.9%锰元素、0.5%～0.7%硅元素、18%～23%铬元素、0.2%～0.4%钼元素、余量为铁元素。
2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述陶瓷组分的制备方法包括：将所述陶瓷微粒、所述陶瓷细粒和所述陶瓷粗粒混合均匀，然后真空干燥得到所述陶瓷组分。
3.一种耐磨件，它包括金属基体和设置于所述金属基体上的工作层，其特征在于，所述工作层包括权利要求1～2任一项所述的陶瓷颗粒增强铁基复合材料。
4. 根据权利要求3所述的耐磨件，其特征在于，所述工作层的表面硬度为330～480HV，所述工作层的耐磨性为86～158 mm3。
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