CN108374078A - 一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料技术领域，具体公开了一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，包括以下步骤：(1)在待热处理的陶瓷增强钢基复合材料表面涂刷抗氧化涂料，然后将其放入箱式炉中，抽真空，充入氮气，使箱式炉内的氧含量≦5％，炉膛压力维持在60‑70mbar；(2)以30‑50℃/h的升温速度将复合材料加热至380‑430℃，保温0.5‑1h；(3)以60‑80℃/h的升温速率将复合材料加热至680‑730℃，保温0.5‑1h；(4)以50‑60℃/h的升温速率将复合材料加热至930‑950℃，保温2‑6h后取出空冷至室温；(5)将复合材料以20‑35℃/h加热至200‑400℃，保温2‑3h后随炉冷却。采用本技术方案的工艺对陶瓷增强钢基复合材料进行处理，能提高复合材料的耐磨性和强韧性，而且热处理过程中能有效避免复合材料发生开裂。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺。
背景技术
随着现代工业进程的不断发展，耐磨材料的消耗量与日俱增，传统钢铁材料已难以满足材料对耐磨性的需求。陶瓷金属耐磨复合材料兼具陶瓷的高硬度、高耐磨性和金属良好的韧性，解决了传统钢铁材料中高硬度与强韧性矛盾的问题，目前，国内外对陶瓷金属复合材料的制备工艺的研究日趋深入，而热处理工艺是使复合材料发挥最大潜能的关键环节，由于陶瓷和金属的物理、化学性质差异很大，若采用金属的热处理方式对陶瓷金属复复合材料进行处理，由于陶瓷与金属的热膨胀系数、收缩系数等差异大，在热处理的过程中陶瓷颗粒容易脱落、陶瓷金属复合材料容易发生开裂，而且热处理后复合材料的耐磨性、冲击韧性、硬度等机械性能并没有得到明显的改善，如何获得具有优良耐磨性的复合件是复合材料热处理工艺研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，提高了复合材料的耐磨性和强韧性，而且热处理过程中能有效避免复合材料发生开裂。
为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)在待热处理的陶瓷增强钢基复合材料表面涂刷抗氧化涂料，然后将陶瓷增强钢基复合材料放入箱式炉中，抽真空，充入氮气，使箱式炉内的氧含量≦5％，炉膛压力维持在60-70mbar；
(2)以30-50℃/h的升温速度将陶瓷增强钢基复合材料加热至380-430℃，保温0.5-1h；
(3)随后以60-80℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至680-730℃，保温0.5-1h；
(4)以50-60℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至930-950℃，保温2-6h，将陶瓷增强钢基复合材料取出在空气中进行冷却直至室温；
(5)将陶瓷增强钢基复合材料以20-35℃/h加热至200-400℃，保温2-3h后随炉冷却。
本基础方案的工作原理在于：本热处理工艺不仅保证了钢基的综合机械性能，可以起到很好的抗磨损效果，还有效的减少了钢基和陶瓷颗粒在热处理升降温过程中由于两者热膨胀系数的差异而产生的热应力，降低了陶瓷增强钢基复合材料产生裂纹的可能，使得其得到较好的力学性能和耐磨性能。
本基础方案的有益效果在于：
1.本发明的热处理工艺有效提高了复合材料的耐磨性和韧性。
2.本发明通过步骤(1)的前置处理以及确定合适的热处理升降温速度来实现对陶瓷颗粒和钢基在热处理过程中由于两者的热膨胀系数的差异产生热应力的减少，有效避免了因陶瓷与金属膨胀、收缩系数不一致而导致的陶瓷颗粒脱落、复合材料开裂的问题。
进一步，步骤(2)中，以38-42℃/h的升温速度将陶瓷增强钢基复合材料加热至400-410℃，保温0.6h。经申请人多次实验发现，将热处理的参数控制在上述范围，得到的产品综合性能最佳。
进一步，步骤(3)中，以68-74℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至698-710℃，保温0.8h。经申请人多次实验发现，将热处理的参数控制在上述范围，得到的产品综合性能最佳。
进一步，步骤(4)中，以53-58℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至936-945℃，保温4h，将陶瓷增强钢基复合材料取出在空气中进行冷却直至室温。经申请人多次实验发现，将热处理的参数控制在上述范围，得到的产品综合性能最佳。
进一步，步骤(5)中，将陶瓷增强钢基复合材料以26-32℃/h加热至220-230℃，保温2.5h后随炉冷却。经申请人多次实验发现，将热处理的参数控制在上述范围，得到的产品综合性能最佳。
进一步，所述步骤(1)中的抗氧化涂料为SG-JD耐高温抗氧化涂料，涂料的涂刷得厚度为0.2-0.5mm。经申请人多次实验发现，SG-JD耐高温抗氧化涂料与陶瓷增强钢基复合材料最为匹配，涂覆后附着性好、不易脱落，同时SG-JD耐高温抗氧化涂料有效提高陶瓷增强钢基复合材料耐防腐、抗氧化性，延长陶瓷增强钢基复合材料的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺实施例的曲线图；
图2是实例1中陶瓷增强钢基复合材料热处理前的组织对比图；
图3是实例1中陶瓷增强钢基复合材料热处理后的组织对比图；
图4是实例1中陶瓷增强钢基复合材料基体热处理前的组织对比图；
图5是实例1中陶瓷增强钢基复合材料基体热处理后的组织对比图。
具体实施方式
下面对选用的原料进行了说明，并通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例1-4中所用的陶瓷增强钢基复合材料均为ZTA陶瓷颗粒增强ZG50Cr5Mo复合材料。
实施例1
一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，具体步骤如下：
(1)在待热处理的陶瓷增强钢基复合材料表面涂刷SG-JD耐高温抗氧化涂料，涂料的涂刷得厚度为0.3mm；然后将陶瓷增强钢基复合材料放入箱式炉中，抽真空，充入氮气，使箱式炉内的氧含量≦5％，炉膛压力维持在60mbar；
(2)以30℃/h的升温速度将陶瓷增强钢基复合材料加热至400℃，保温0.5h；
(3)随后以60℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至700℃，保温0.5h；
(4)以50℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至930℃，在930℃进行保温3h，将陶瓷增强钢基复合材料取出在空气中进行冷却直至室温；
(5)将陶瓷增强钢基复合材料以20℃/h加热至250℃保温2h后随炉冷却。
陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺流程图的如图1所示。热处理前，陶瓷增强钢基复合材料组织图如图2所示、陶瓷增强钢基复合材料基体如图4所示；热处理之后，陶瓷增强钢基复合材料中得到回火马氏体，颗粒与基体结合良好，无热处理裂纹，陶瓷增强钢基复合材料组织图如图3所示、陶瓷增强钢基复合材料基体如图5所示。热处理之后复合材料的耐磨性及韧性如表1所示。
实施例2
一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，具体步骤如下：
(1)在待热处理的陶瓷增强钢基复合材料表面涂刷SG-JD耐高温抗氧化涂料，涂料的涂刷得厚度为0.4mm；然后将陶瓷增强钢基复合材料放入箱式炉中，抽真空，充入氮气，使箱式炉内的氧含量≦5％，炉膛压力维持在63mbar；
(2)以35℃/h的升温速度将陶瓷增强钢基复合材料加热至400℃，保温0.7h；
(3)随后以68℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至700℃，保温0.6h；
(4)以56℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至935℃，在935℃进行保温2.6h，将陶瓷增强钢基复合材料取出在空气中进行冷却直至室温；
(5)将陶瓷增强钢基复合材料以25℃/h加热至240℃保温2.3h后随炉冷却。
本实施例中，热处理后的陶瓷增强钢基复合材料性能测试结果见表1。
实施例3
一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，具体步骤如下：
(1)在待热处理的陶瓷增强钢基复合材料表面涂刷SG-JD耐高温抗氧化涂料，涂料的涂刷得厚度为0.5mm；然后将其放入箱式炉中，抽真空，充入氮气，保证氧含量≦5％，炉膛压力维持在67mbar；
(2)以45℃/h的升温速度将陶瓷增强钢基复合材料加热至400℃，保温0.8h；
(3)随后以75℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至700℃，保温0.9h；
(4)以58℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至940℃，在940℃进行保温4h，将陶瓷增强钢基复合材料取出在空气中进行冷却直至室温；
(5)将陶瓷增强钢基复合材料以28℃/h加热至300℃保温2.5h后随炉冷却。
本实施例中，热处理后的陶瓷增强钢基复合材料性能测试结果见表1。
实施例4
一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，具体步骤如下：
(1)在待热处理的陶瓷增强钢基复合材料表面涂刷SG-JD耐高温抗氧化涂料，涂料的涂刷得厚度为0.38mm；然后将其放入箱式炉中，抽真空，充入氮气，保证氧含量≦5％，炉膛压力维持在60-70mbar；
(2)以50℃/h的升温速度加热至400℃，保温1h；
(3)随后以80℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至700℃，保温1h；
(4)以60℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至950℃，在950℃进行保温6h，将陶瓷增强钢基复合材料取出在空气中进行冷却直至室温；
(5)将陶瓷增强钢基复合材料以35℃/h加热至400℃保温3h后随炉冷却。
本实施例中，热处理后的陶瓷增强钢基复合材料性能测试结果见表1。
表1
| 试样编号 | 铸态 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 硬度HRC | 64 | 63 | 65 | 61 | 67 |
| 冲击韧性ɑKN/(J/cm2) | 9.6 | 11 | 11.6 | 11.3 | 12.1 |
| 相对耐磨性 | 1 | 1.3 | 1.4 | 1.28 | 1.39 |
表1数据分别为未经热处理的铸态陶瓷增强钢基复合材料和经实施例1-4热处理后的陶瓷增强钢基复合材料性能测试结果。
相对耐磨性是指，将热处理后的陶瓷增强钢基复合材料与未热处理铸态的陶瓷增强钢基复合材料在同一工况下进行耐磨性的比较，比较是以铸态作为标准样，其耐磨性为1。
对比结论：
实施例1-4均为经过热处理后的陶瓷增强钢基复合材料，而铸态的为未经热处理的陶瓷增强钢基复合材料，从表1的数据可以明显的看出，经过本方案的热处理后，陶瓷增强钢基复合材料的硬度、韧性、耐磨性等机械性能得到明显的提高。
Claims (6)
1.一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在待热处理的陶瓷增强钢基复合材料表面涂刷抗氧化涂料，然后将陶瓷增强钢基复合材料放入箱式炉中，抽真空，充入氮气，使箱式炉内的氧含量≦5％，炉膛压力维持在60-70mbar；
(2)以30-50℃/h的升温速度将陶瓷增强钢基复合材料加热至380-430℃，保温0.5-1h；
(3)随后以60-80℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至680-730℃，保温0.5-1h；
(4)以50-60℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至930-950℃，保温2-6h，将陶瓷增强钢基复合材料取出在空气中进行冷却直至室温；
(5)将陶瓷增强钢基复合材料以20-35℃/h加热至200-400℃，保温2-3h后随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，其特征在于：步骤(2)中，以38-42℃/h的升温速度将陶瓷增强钢基复合材料加热至400-410℃，保温0.6h。
3.根据权利要求2所述的一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，其特征在于：步骤(3)中，以68-74℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至698-710℃，保温0.8h。
4.根据权利要求3所述的一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，其特征在于：步骤(4)中，以53-58℃/h的升温速率将陶瓷增强钢基复合材料加热至936-945℃，保温4h，将陶瓷增强钢基复合材料取出在空气中进行冷却直至室温。
5.根据权利要求4所述的一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，其特征在于：步骤(5)中，将陶瓷增强钢基复合材料以26-32℃/h加热至220-230℃，保温2.5h后随炉冷却。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强钢基复合材料的热处理工艺，其特征在于：所述步骤(1)中的抗氧化涂料为SG-JD耐高温抗氧化涂料，涂料的涂刷得厚度为0.2-0.5mm。
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