CN109277576B - 钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料及其制备方法 - Google Patents
钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种钢‑碳化物/铁‑钢多层复合耐磨材料，包括厚度为1～2mm的碳化物/铁层以及分布在碳化物/铁层两侧的钢层，钢层厚4～10mm，其中，碳化物/铁层由石墨粉和铁粉，以及钨铁粉、钛铁粉、钨粉、钛粉中的一种或两种组成，本发明还公开了一种钢‑碳化物/铁‑钢多层复合耐磨材料的制备方法。本发明钢‑碳化物/铁‑钢多层复合耐磨材料中各界面结合状态良好，具备良好的耐磨性，兼具强韧性，可广泛应用于冶金、矿山和电力等机械设备中。
Description
技术领域
本发明属于复合耐磨材料技术领域，具体涉及一种钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料及其制备方法。
背景技术
耐磨材料广泛应用于冶金、矿山、电力、机械等领域，是国民经济各个领域的基础材料和高消耗材料。常见的单一材质耐磨材料有高锰钢、高铬铸铁、合金钢等。高锰钢主要依靠奥氏体加工硬化来提高其硬度；高铬铸铁的优良抗磨能力和冲击韧性主要决定于孤立的条状形态存在高硬度M7C3型碳化物；耐磨合金钢主要是通过调控化学成份和热处理工艺获得必要的材料的冲击韧度和硬度指标。但是，单一材质耐磨材料，例如高锰钢、高铬铸铁、合金钢等，存在着相应的技术瓶颈，即奥氏体高锰钢如果在中、小冲击载荷条件下使用，奥氏体不能充分加工硬化，其耐磨性差；而高铬铸铁虽然耐磨性好，但韧性、切削加工性差；合金钢由于添加了稀有元素，成本高而难于推广。单一材质耐磨材料在强度、硬度、韧性等方面不可兼顾，但将高硬度材料与高韧性材料优势互补，可制成开发综合性能优良的复合耐磨材料。目前见诸报道的复合耐磨材料主要有双金属复合、表面复合、或颗粒增强、晶须增强和纤维增强复合。双金属复合的方法使界面的两侧保持了原有的组分，而在界面处产生了过渡层的冶金结合，从而使得该种复合材料具有两种材料的“复合效应”；表面复合是在工作面复合一层或数层增强相，有堆焊、喷涂、电镀、气相沉积和激光熔覆等方法；颗粒增强、晶须增强、纤维增强复合将陶瓷颗粒、晶须或纤维增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点和增强颗粒优点，即具备良好的韧性、塑性和高硬度。
复合耐磨材料在一定程度上改善了使用性能，但是，存在问题在于，双金属复合是一类宏观复合方式，基体与耐磨层的界面结合强度直接影响其使用寿命，多见剥落、开裂等缺陷，耐磨层硬度高但韧性低；表面复合仅仅改善了工件工作面的状态，随着磨损过程的进行，工件的使用寿命受到限制；颗粒增强、晶须增强、和纤维增强复合是复合耐磨材料的发展趋势，随着增强相体积分数的提高，其耐磨性和硬度均呈上升的提高趋势，但是复合材料的韧性/塑性降低，存在强韧性倒置关系，限制应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料，解决现有耐磨材料的韧性和塑性随耐磨性升高而降低的问题。
本发明的另一目的是提供一种钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法。
本发明采用的第一技术方案是，钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料，包括碳化物/铁层以及分布在碳化物/铁层两侧的钢层，碳化物/铁层厚1～2mm，钢层厚4～10mm。
本发明的技术特征还在于，
其中，钢层为高锰钢或不锈钢。
碳化物/铁层由石墨粉、铁粉和金属粉a组成，所述金属粉a为钨铁粉、钛铁粉、钨粉、钛粉中的一种或两种。
本发明采用的第二技术方案是，钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，分别称取若干石墨粉、铁粉和金属粉a，金属粉a为钨铁粉、钛铁粉、钨粉、钛粉中的一种或两种，其中铁粉质量占粉末总质量的10％，以上各组分的质量百分比总和为100％，准备若干钢片；
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的除铁粉以外的粉末球磨细化，混合均匀；
步骤3，将步骤2混合均匀后的粉末干燥后与步骤1称取的铁粉混合均匀，研碎，再过200目筛处理；
步骤4，将步骤3过筛后的粉末压制成片状压坯；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加，确保压坯两侧为钢片，在真空或保护气氛下热压烧结后，或采用放电等离子烧结后，即得钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料预制体；
步骤6，对步骤5制备的复合耐磨材料预制体进行水韧处理，先将预制体加热至1080℃，保温一段时间后快速冷却，即得钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料。
其中，步骤1中，钢片厚度为4～10mm，钢片使用前须先进行喷砂后净化处理。
步骤2中，球磨机优选用行星式高能球磨机，球磨机参数优选转速300～400r/min，球料比10：1～20：1，球磨时间6～2 4h。
步骤4中，压坯前在粉末中先添加2～4wt％的石蜡作为成形剂，再普通模压或冷等静压将粉末压制成压坯，压坯成型厚度保持在1.25～2.5mm。
步骤5中，在烧结前需先对压坯进行预烧脱蜡，脱蜡温度在500～600℃。
步骤5中，采用热压烧结，最终烧结温度控制在1250～1280℃，并在此温度下保温6～10h，烧结过程中压强保持在10～30MPa。
步骤5中，采用放电等离子烧结，升温速度为70～100℃/min，升温至1200～1350℃，烧结过程中压强保持在50Mpa。
本发明的有益效果是，通过将钢和碳化物/铁交替叠加，然后烧结成多层复合结构，高韧性的钢层吸收裂纹扩展能量，改善韧性；高体积分数碳化物硬质点/铁复合层提高材料硬度，改善耐磨性，提高了耐磨材料的综合力学性能；此外，作为主要增强相的碳化物陶瓷硬质点是原位生成的，均匀分布在碳化物/铁复合材料中，体积分数大；粘结相分布连续，使钢和碳化物/铁的宏观和微观界面结合状态良好。
附图说明
图1是本发明钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的结构示意图。
图中，1.钢层，2.碳化物/铁层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于该具体实施方式。
参照图1，本发明提供了一种钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料，包括厚度为1～2mm的碳化物/铁层2以及分布在碳化物/铁层两侧的钢层1，钢层1厚4～10mm。
其中，碳化物/铁层2由石墨粉、铁粉和金属粉a组成，所述金属粉a为钨铁粉、钛铁粉、钨粉、钛粉中的一种或两种。
本发明还提供了上述钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按质量百分比分别称取10％铁粉，石墨粉和金属粉a，所述金属粉a为钨铁粉、钛铁粉、钨粉、钛粉中的一种或两种，以上各组分的质量百分比总和为100％，准备若干钢片；
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的粉末状原料球磨细化，混合均匀；
步骤3，将步骤2混合均匀后的粉末干燥后研碎，过200目筛处理；
步骤4，给步骤3过筛后的粉末中添加2～4wt％的石蜡作为成形剂，再将其装进模具中压制成片状压坯；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加，确保压坯两侧为钢片，在真空或保护气氛下热压烧结后，或采用放电等离子烧结后，即得钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料。
实施例1
制备一种Mn13钢-(Ti,W)C/Fe-Mn13钢复合耐磨材料，具体包括以下步骤：
步骤1，分别称取铁粉(纯度≥99％)、石墨粉(纯度≥99％)、钨铁粉(含钨量70％)和钛粉(纯度≥99％)，其中铁粉质量占粉末总质量的10％，钨铁粉与石墨粉的质量配比为22：1，钛粉与石墨粉的质量配比为4：1，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干经过喷砂后净化处理的Mn13钢片，钢片厚度为10mm；
步骤2，采用行星式高能球磨机将步骤1称取的除铁粉以外的粉末球磨细化，混合均匀，球磨机转速为300r/min，球料比为10:1，球磨时间24h；
步骤3，将步骤2混合均匀后的粉末干燥后与步骤1称取的铁粉混合均匀，研碎，再过200目筛处理；
步骤4，在步骤3过筛后的粉末中添加2wt％的石蜡，然后将其装进金属模具中，通过液压机在250MPa压强下压制成压坯，压坯成型厚度1.25mm；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加，确保压坯两侧为钢片，然后将其置于机械加压炉中，在纯度≥99.9％的氢气气氛中烧结，气流量3m2/h，在500℃脱蜡，继续升温至1280℃，保温8h，保温过程加10MPa压力，随炉冷却，即得Mn13钢-(Ti,W)C/Fe-Mn13钢复合耐磨材料预制体；
步骤6，对步骤5制备的复合耐磨材料预制体进行水韧处理，即加热至1080℃，保温一段时间(每25mm壁厚保温1h)，之后快速冷却，即得Mn13钢-(Ti,W)C/Fe-Mn13钢复合耐磨材料。
对制得的Mn13钢-(Ti,W)C/Fe-Mn13钢复合耐磨材料进行组织与性能的观测，观测结果如下：
(1)微观组织
尺寸参数为：呈叠层的复合材料中，Mn13钢层厚约10mm，(Ti,W)C/Fe层厚约1mm。
(Ti,W)C/Fe层与Mn13钢层的界面结合状态良好；(Ti,W)C/Fe层的金相组织主要为：α-Fe固溶体、Fe3W3C、(Ti,W)C和少量TiC，(Ti,W)C颗粒形状多为球形，粒径小于1μm。
(2)力学性能
(Ti,W)C/Fe层的洛氏硬度为59HRC；磨损试验显示其耐磨性是Mn13钢的10倍左右。
实施例2
制备一种45钢-WC/Fe-45钢复合耐磨材料，具体包括以下步骤：
步骤1，分别称取铁粉(纯度≥99％)、石墨粉(纯度≥99％)、钨铁粉(含钨量70％)，其中铁粉质量占粉末总质量的10％，钨铁粉与石墨粉的质量配比为22：1，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干经过喷砂后净化处理的45钢片，钢片厚度为4mm；
步骤2，采用行星式高能球磨机将步骤1称取的除铁粉以外的粉末球磨细化，混合均匀，采用氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min，球料比为10:1，球磨时间15h；
步骤3，将步骤2混合均匀后的粉末干燥后与步骤1称取的铁粉混合均匀，研碎，再过200目筛处理；
步骤4，在步骤3过筛后的粉末中添加3wt％的石蜡，然后将其装进金属模具中，通过液压机在250MPa压强下压制成压坯，压坯成型厚度2.5mm；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加，确保压坯两侧为钢片，然后将其置于机械加压炉中，在纯度≥99.9％的氢气气氛中烧结，气流量3m2/h，在550℃脱蜡，继续升温至1250℃，保温10h，保温过程加30MPa压力，随炉冷却，即得45钢-WC/Fe-45钢复合耐磨材料预制体；
步骤6，对步骤5制备的复合耐磨材料预制体进行水韧处理，即加热至1080℃，保温一段时间(每25mm壁厚保温1h)，之后快速冷却，即得45钢-WC/Fe-45钢复合耐磨材料。
对制得的45钢-WC/Fe-45钢复合耐磨材料进行组织与性能的观测，观测结果如下：
(1)微观组织
尺寸参数为：呈叠层的复合材料中，45钢层厚约4mm，WC/Fe层厚约2mm。
45钢层与WC/Fe层界面结合状态良好；WC/Fe层的金相组织主要为：α-Fe固溶体、WC及(W,Fe)C。
(2)力学性能
通过对WC/Fe层多个部位硬度的测定，结果显示其各个部位硬度值相差不大，洛氏硬度均值为63HRC；磨损试验显示其耐磨性是45钢的8倍左右。
实施例3
制备一种AM360合金钢-TiC/Fe-AM360合金钢复合耐磨材料，具体包括以下步骤：
步骤1，分别称取铁粉(纯度≥99％)、石墨粉(纯度≥99％)、钛铁粉(含钛量70％)，其中铁粉质量占粉末总质量的10％，钛铁粉与石墨粉的质量配比为6：1，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干经过喷砂后净化处理的AM360合金钢片，钢片厚度为6mm；
步骤2，采用行星式高能球磨机将步骤1称取的除铁粉以外的粉末球磨细化，混合均匀，采用氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min，球料比为10:1，球磨时间20h；
步骤3，将步骤2混合均匀后的粉末干燥后与步骤1称取的铁粉混合均匀，研碎，再过200目筛处理；
步骤4，在步骤3过筛后的粉末采用冷等静压法压制成压坯，压制压力200MPa，压坯成型厚度1.9mm；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加，确保压坯两侧为钢片，然后将其置于放电等离子烧结仪的腔体中，在真空环境下烧结，从室温以100℃/min的升温速度将其升温至1300℃，过程中压强为50Mpa，随炉冷却，即得AM360合金钢-TiC/Fe-AM360合金钢复合耐磨材料预制体；
步骤6，对步骤5制备的复合耐磨材料预制体进行水韧处理，即加热至1080℃，保温一段时间，之后快速冷却，即得AM360合金钢-TiC/Fe-AM360合金钢复合耐磨材料。
对制得的AM360合金钢-TiC/Fe-AM360合金钢复合耐磨材料进行观测，观测结果如下：
(1)微观组织
尺寸参数为：呈叠层的复合材料中，AM360合金钢层厚约6mm，TiC/Fe层厚约1.5mm。
AM360合金钢层与TiC/Fe层界面结合状态良好；TiC/Fe层的金相组织为：α-Fe固溶体、Fe2Ti、及TiC等。
(2)力学性能
通过对TiC/Fe层多个部位硬度的测定，其硬度平均值为73HRA；磨损试验显示其磨损率为4.5×10-15m 3/N。
从以上三个实施例中可以看出，本发明制备的钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料中钢层与碳化物/铁层的界面结合良好，碳化物/铁层的硬度高，耐磨性好，钢层韧性良好，使本发明制备的复合耐磨材料在耐磨性良好的情况下兼具强韧性。
Claims (8)
1.钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料，其特征在于，包括碳化物/铁层(2)以及分布在碳化物/铁层两侧的钢层(1)，所述碳化物/铁层(2)厚1～2mm，钢层(1)厚4～10mm；所述钢层(1)为高锰钢或不锈钢；所述碳化物/铁层(2)由石墨粉、铁粉和金属粉a组成，所述金属粉a为钨铁粉、钛铁粉、钨粉、钛粉中的一种或两种。
2.钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，分别称取若干铁粉、石墨粉和金属粉a，金属粉a为钨铁粉、钛铁粉、钨粉、钛粉中的一种或两种，其中铁粉质量占粉末总质量的10％，以上各组分的质量百分比总和为100％，准备若干钢片；
步骤2)，采用球磨机将步骤1称取的除铁粉以外的粉末球磨细化，混合均匀；
步骤3)，将步骤2混合均匀后的粉末干燥后与步骤1称取的铁粉混合均匀，研碎，再过200目筛处理；
步骤4)，将步骤3过筛后的粉末压制成片状压坯；
步骤5)，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加，确保压坯两侧为钢片，在真空或保护气氛下热压烧结后，或采用放电等离子烧结后，即得钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料预制体；
步骤6)，对步骤5制备的复合耐磨材料预制体进行1080℃的水韧处理后，即得钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料。
3.根据权利要求2所述的钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，钢片厚度为4～10mm，钢片使用前须先进行喷砂后净化处理。
4.根据权利要求2所述的钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，球磨机用行星式高能球磨机，球磨机参数优选转速300～400r/min，球料比10：1～20：1，球磨时间6～24h。
5.根据权利要求2所述的钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，压坯前在粉末中先添加2～4wt％的石蜡作为成形剂，再普通模压或冷等静压将粉末压制成压坯，压坯成型厚度保持在1.25～2.5mm。
6.根据权利要求2所述的钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，在烧结前需先对压坯进行预烧脱蜡，脱蜡温度在500～600℃。
7.根据权利要求2所述的钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，采用热压烧结，最终烧结温度控制在1250～1280℃，并在此温度下保温6～10h，烧结过程中压强保持在10～30MPa。
8.根据权利要求2所述的钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，采用放电等离子烧结，升温速度为70～100℃/min，升温至1200～1350℃，烧结过程中压强保持在50MPa。
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