CN109295394A - 一种陶瓷钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属陶瓷复合材料技术领域，具体涉及一种陶瓷钢及其制造方法；按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.2‑3.8％、Cr 0.8‑1.2％、Co 0.14‑0.18％、Ce 0.5‑0.8％、Y 0.25‑0.28％、Nd 0.05‑0.08％、Mn 1.2‑1.6％、W 0.24‑0.28％、SiC 3.4‑3.8％、SiN41.8‑2.2％、CaF20.25‑0.29％，余量为Fe及不可避免的杂质；本发明提供了一种陶瓷钢及其制造方法，本发明各元素组分间分布、作用均衡，组织结构致密均匀，金相转化平衡度高，所制造的陶瓷钢具有良好的强度和硬度，耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性更好，而且本发明制备工艺简单、生产成本低廉、安全性高、处理方便、产品质量高，具有较好的市场应用价值。

Description

一种陶瓷钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属陶瓷复合材料技术领域，具体涉及一种陶瓷钢及其制造方法。
背景技术
金属基复合材料是近几年迅速发展起来的一种高技术的新型工程材料，具有高的比刚度、比强度、优良的高温性能、低的热膨胀系数、良好的耐磨和减摩性，加之其优良的加工性能、成型性能、明显的性价比优势而受到了越来越多的关注。陶瓷钢复合材料作为金属基复合材料中的一种，既具有陶瓷材料高硬度、耐酸碱腐蚀、耐磨的特点，也具有钢铁材料的塑韧性特点。
金属基复合材料的制备方法包括外加增强相和原位自生成两种。外加颗粒增强金属基复合材料的制备方法是将外来的颗粒成分添加到金属基材料中，这种方法所存在的问题有：外加颗粒增强复合材料中外加的颗粒与基体界面的结合力降低，外加颗粒周围会留有气孔裂纹等缺陷从而影响材料性能；增强颗粒在复合材料中所占的比例不高，这就使得材料的硬度、耐磨性等性能不能达到一个高的层次；同时外加颗粒增强复合材料的热力学稳定性差且其制备工艺也较复杂。
综上，基于对陶瓷钢的研究，陶瓷钢材料由于配方和选材材质方面的因素，导致制造的陶瓷钢其性能一般，耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性较差，因此亟需研发一种陶瓷钢及其制造方法来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种陶瓷钢及其制造方法，本发明各元素组分间分布、作用均衡，组织结构致密均匀，金相转化平衡度高，所制造的陶瓷钢具有良好的强度和硬度，耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性更好，而且本发明制备工艺简单、生产成本低廉、安全性高、处理方便、产品质量高，具有较好的市场应用价值。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.2-3.8％、Cr0.8-1.2％、Co0.14-0.18％、Ce 0.5-0.8％、Y 0.25-0.28％、Nd 0.05-0.08％、Mn 1.2-1.6％、W 0.24-0.28％、SiC 3.4-3.8％、SiN41.8-2.2％、CaF20.25-0.29％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.4％、Cr 0.8％、Co0.15％、Ce 0.6％、Y 0.26％、Nd 0.05％、Mn 1.3％、W 0.24％、SiC 3.6％、SiN41.8％、CaF20.27％，余量为Fe及不可避免的杂质。
优选的，一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.8％、Cr 1.1％、Co0.18％、Ce 0.5％、Y 0.28％、Nd 0.07％、Mn 1.6％、W 0.25％、SiC 3.8％、SiN42.1％、CaF20.29％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种陶瓷钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)按上述原料配方称取的各组分原料进行混合均匀，得到混合组分，将混合组分加入球磨机中，然后将与混合组分等质量的水向球磨机中加入，研磨至混合组分粒度为200-240目，得到磨好的料浆；
(2)向料浆中加入粘合剂，搅拌均匀，然后进行干燥、筛分，在300-500MPa下压制成型，得到毛坯备用；
(3)将上述步骤(2)中得到的毛坯放置于烧结炉中进行初次烧结，在还原气氛下使炉内温度在1.5h内以5-10℃/min的速度升温至600-800℃，并保温30min，烧结后得到初次烧结物；
(4)将上述步骤(3)中得到的初次烧结物进行破碎、研磨，过200-250目筛，然后放置于烧结炉中进行二次烧结，在还原气氛下使炉内温度在3-5h内以5-10℃/min的速度升温至1350-1450℃，并保温1.5-3h，烧结后自然冷却至室温，即得到陶瓷钢产品。
优选的，所述步骤1中的混合组分经过球磨后的粒度为200-240目。
优选的，所述粘合剂包括按质量份计的以下组分：钛酸酯8-12份、丙烯酸乳液12-16份、碳酸氢钠8-12份和异丙醇2-5份。
优选的，所述烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和等离子体烧结炉中的任意一种。
有益效果：
本发明通过合理添加Al、Cr、Co、Ce、Y、Nd、Mn、W、SiC、SiN4、CaF2，并控制其含量，改善了本发明组织结构，细化了组织晶粒，提高了位错密度，进而提高了基体的强度、硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性；通过添加Co、SiC、SiN4，具有协同作用，将具有优异的耐磨、耐高温、耐腐蚀和力学性能的Co金属粉末与SiC、SiN4粉末进行有效的结合，具有增强作用；通过控制Al、Cr、Co、Mn的含量，形成弥散分布的强化相，各强化相协同作用，细化了铸态晶粒，提高基体的位错密度与再结晶温度，抑制了再结晶，提高了基体的拉伸强度、屈服强度、硬度、韧性等力学性能；通过控制Ce、Y、Nd的含量，在制备基体的过程中具有良好的脱氧效果与细化晶粒作用，有效避免晶间腐蚀，降低了基体的开裂敏感性，改善了基体的性能；W、Mn元素保证了材料在应用中对强度、耐腐蚀性、抗氧化性的要求，并且在生产过程中能够很大程度上降低气孔及砂眼的出现频率，提高生产效率，并降低生产成本。
本发明采用两段式进行烧结的工艺，采用逐步升温的多段式进行升温，达到了烧结温度逐渐升温的效果，进而避免了温度骤然变化导致的受热不均匀及应力变化，进而使得陶瓷钢的表面不会出现裂纹和褶皱，进而提高了陶瓷钢的性能和美观度，而且烧结在还原气氛下进行，进而避免了组分原料在高温下进行氧化分解，使其保持其原有性能，进而才能制造出性能优异的陶瓷钢材料。
综上，本发明各元素组分间分布、作用均衡，组织结构致密均匀，金相转化平衡度高，所制造的陶瓷钢具有良好的强度和硬度，耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性更好，而且本发明制备工艺简单、生产成本低廉、安全性高、处理方便、产品质量高，具有较好的市场应用价值。
而且本发明材料的机械性能可以达到：抗拉强度为800-1450MPa、屈服强度为400-720MPa、硬度为55-75HRC，延伸率为25-45％、冲击功为80-120J。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.2％、Cr 1.0％、Co 0.14％、Ce0.8％、Y 0.25％、Nd 0.06％、Mn 1.2％、W 0.26％、SiC 3.4％、SiN42.0％、CaF20.25％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种陶瓷钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)按上述原料配方称取的各组分原料进行混合均匀，得到混合组分，将混合组分加入球磨机中，然后将与混合组分等质量的水向球磨机中加入，研磨至混合组分粒度为200-240目，得到磨好的料浆；
(2)向料浆中加入粘合剂，搅拌均匀，然后进行干燥、筛分，在300-500MPa下压制成型，得到毛坯备用；
(3)将上述步骤(2)中得到的毛坯放置于烧结炉中进行初次烧结，在还原气氛下使炉内温度在1.5h内以5-10℃/min的速度升温至600-800℃，并保温30min，烧结后得到初次烧结物；
(4)将上述步骤(3)中得到的初次烧结物进行破碎、研磨，过200-250目筛，然后放置于烧结炉中进行二次烧结，在还原气氛下使炉内温度在3-5h内以5-10℃/min的速度升温至1350-1450℃，并保温1.5-3h，烧结后自然冷却至室温，即得到陶瓷钢产品。
粘合剂包括按质量份计的以下组分：钛酸酯8份、丙烯酸乳液13份、碳酸氢钠8份和异丙醇3份。
烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和等离子体烧结炉中的任意一种。
实施例2：
一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.4％、Cr 0.8％、Co 0.15％、Ce0.6％、Y 0.26％、Nd 0.05％、Mn 1.3％、W 0.24％、SiC 3.6％、SiN41.8％、CaF20.27％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种陶瓷钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)按上述原料配方称取的各组分原料进行混合均匀，得到混合组分，将混合组分加入球磨机中，然后将与混合组分等质量的水向球磨机中加入，研磨至混合组分粒度为200-240目，得到磨好的料浆；
(2)向料浆中加入粘合剂，搅拌均匀，然后进行干燥、筛分，在300-500MPa下压制成型，得到毛坯备用；
(3)将上述步骤(2)中得到的毛坯放置于烧结炉中进行初次烧结，在还原气氛下使炉内温度在1.5h内以5-10℃/min的速度升温至600-800℃，并保温30min，烧结后得到初次烧结物；
(4)将上述步骤(3)中得到的初次烧结物进行破碎、研磨，过200-250目筛，然后放置于烧结炉中进行二次烧结，在还原气氛下使炉内温度在3-5h内以5-10℃/min的速度升温至1350-1450℃，并保温1.5-3h，烧结后自然冷却至室温，即得到陶瓷钢产品。
粘合剂包括按质量份计的以下组分：钛酸酯8份、丙烯酸乳液13份、碳酸氢钠8份和异丙醇3份。
烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和等离子体烧结炉中的任意一种。
实施例3：
一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.6％、Cr 1.2％、Co 0.16％、Ce0.4％、Y 0.27％、Nd 0.08％、Mn 1.5％、W 0.28％、SiC 3.7％、SiN42.2％、CaF20.28％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种陶瓷钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)按上述原料配方称取的各组分原料进行混合均匀，得到混合组分，将混合组分加入球磨机中，然后将与混合组分等质量的水向球磨机中加入，研磨至混合组分粒度为200-240目，得到磨好的料浆；
(2)向料浆中加入粘合剂，搅拌均匀，然后进行干燥、筛分，在300-500MPa下压制成型，得到毛坯备用；
(3)将上述步骤(2)中得到的毛坯放置于烧结炉中进行初次烧结，在还原气氛下使炉内温度在1.5h内以5-10℃/min的速度升温至600-800℃，并保温30min，烧结后得到初次烧结物；
(4)将上述步骤(3)中得到的初次烧结物进行破碎、研磨，过200-250目筛，然后放置于烧结炉中进行二次烧结，在还原气氛下使炉内温度在3-5h内以5-10℃/min的速度升温至1350-1450℃，并保温1.5-3h，烧结后自然冷却至室温，即得到陶瓷钢产品。
粘合剂包括按质量份计的以下组分：钛酸酯10份、丙烯酸乳液12份、碳酸氢钠9份和异丙醇2份。
烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和等离子体烧结炉中的任意一种。
实施例4：
一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.8％、Cr 1.1％、Co 0.18％、Ce0.5％、Y 0.28％、Nd 0.07％、Mn 1.6％、W 0.25％、SiC 3.8％、SiN42.1％、CaF20.29％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种陶瓷钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)按上述原料配方称取的各组分原料进行混合均匀，得到混合组分，将混合组分加入球磨机中，然后将与混合组分等质量的水向球磨机中加入，研磨至混合组分粒度为200-240目，得到磨好的料浆；
(2)向料浆中加入粘合剂，搅拌均匀，然后进行干燥、筛分，在300-500MPa下压制成型，得到毛坯备用；
(3)将上述步骤(2)中得到的毛坯放置于烧结炉中进行初次烧结，在还原气氛下使炉内温度在1.5h内以5-10℃/min的速度升温至600-800℃，并保温30min，烧结后得到初次烧结物；
(4)将上述步骤(3)中得到的初次烧结物进行破碎、研磨，过200-250目筛，然后放置于烧结炉中进行二次烧结，在还原气氛下使炉内温度在3-5h内以5-10℃/min的速度升温至1350-1450℃，并保温1.5-3h，烧结后自然冷却至室温，即得到陶瓷钢产品。
粘合剂包括按质量份计的以下组分：钛酸酯12份、丙烯酸乳液15份、碳酸氢钠12份和异丙醇4份。
烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和等离子体烧结炉中的任意一种。
实施例5：
一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.2％、Cr 0.8％、Co 0.14％、Ce0.5％、Y 0.25％、Nd 0.06％、Mn 1.2％、W 0.24％、SiC 3.4％、SiN41.8％、CaF20.25％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种陶瓷钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)按上述原料配方称取的各组分原料进行混合均匀，得到混合组分，将混合组分加入球磨机中，然后将与混合组分等质量的水向球磨机中加入，研磨至混合组分粒度为200-240目，得到磨好的料浆；
(2)向料浆中加入粘合剂，搅拌均匀，然后进行干燥、筛分，在300-500MPa下压制成型，得到毛坯备用；
(3)将上述步骤(2)中得到的毛坯放置于烧结炉中进行初次烧结，在还原气氛下使炉内温度在1.5h内以5-10℃/min的速度升温至600-800℃，并保温30min，烧结后得到初次烧结物；
(4)将上述步骤(3)中得到的初次烧结物进行破碎、研磨，过200-250目筛，然后放置于烧结炉中进行二次烧结，在还原气氛下使炉内温度在3-5h内以5-10℃/min的速度升温至1350-1450℃，并保温1.5-3h，烧结后自然冷却至室温，即得到陶瓷钢产品。
粘合剂包括按质量份计的以下组分：钛酸酯12份、丙烯酸乳液15份、碳酸氢钠12份和异丙醇4份。
烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和等离子体烧结炉中的任意一种。
实施例6：
一种陶瓷钢，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.8％、Cr 1.2％、Co 0.18％、Ce0.8％、Y 0.28％、Nd 0.08％、Mn 1.6％、W 0.28％、SiC 3.8％、SiN42.2％、CaF20.29％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种陶瓷钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)按上述原料配方称取的各组分原料进行混合均匀，得到混合组分，将混合组分加入球磨机中，然后将与混合组分等质量的水向球磨机中加入，研磨至混合组分粒度为200-240目，得到磨好的料浆；
(2)向料浆中加入粘合剂，搅拌均匀，然后进行干燥、筛分，在300-500MPa下压制成型，得到毛坯备用；
(3)将上述步骤(2)中得到的毛坯放置于烧结炉中进行初次烧结，在还原气氛下使炉内温度在1.5h内以5-10℃/min的速度升温至600-800℃，并保温30min，烧结后得到初次烧结物；
(4)将上述步骤(3)中得到的初次烧结物进行破碎、研磨，过200-250目筛，然后放置于烧结炉中进行二次烧结，在还原气氛下使炉内温度在3-5h内以5-10℃/min的速度升温至1350-1450℃，并保温1.5-3h，烧结后自然冷却至室温，即得到陶瓷钢产品。
粘合剂包括按质量份计的以下组分：钛酸酯12份、丙烯酸乳液15份、碳酸氢钠12份和异丙醇4份。
烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和等离子体烧结炉中的任意一种。
取实施例1至实施例6得到的最终陶瓷钢产品，并对该六组陶瓷钢的抗拉强度、屈服强度、硬度、延伸率以及冲击功进行测定，并记录数据如下表1：
表1
综上，本发明各元素组分间分布、作用均衡，组织结构致密均匀，金相转化平衡度高，所制造的陶瓷钢具有良好的强度和硬度，耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性更好，而且本发明制备工艺简单、生产成本低廉、安全性高、处理方便、产品质量高，具有较好的市场应用价值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种陶瓷钢，其特征在于，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.2-3.8％、Cr 0.8-1.2％、Co 0.14-0.18％、Ce 0.5-0.8％、Y 0.25-0.28％、Nd 0.05-0.08％、Mn 1.2-1.6％、W0.24-0.28％、SiC 3.4-3.8％、SiN4 1.8-2.2％、CaF20.25-0.29％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.一种陶瓷钢，其特征在于，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.4％、Cr 0.8％、Co0.15％、Ce 0.6％、Y 0.26％、Nd 0.05％、Mn 1.3％、W 0.24％、SiC 3.6％、SiN41.8％、CaF20.27％，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.一种陶瓷钢，其特征在于，按重量百分比计，包括以下组分：Al 3.8％、Cr 1.1％、Co0.18％、Ce 0.5％、Y 0.28％、Nd 0.07％、Mn 1.6％、W 0.25％、SiC 3.8％、SiN42.1％、CaF20.29％，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按上述原料配方称取的各组分原料进行混合均匀，得到混合组分，将混合组分加入球磨机中，然后将与混合组分等质量的水向球磨机中加入，研磨得到磨好的料浆；
(2)向料浆中加入粘合剂，搅拌均匀，然后进行干燥、筛分，在300-500MPa下压制成型，得到毛坯备用；
(3)将上述步骤(2)中得到的毛坯放置于烧结炉中进行初次烧结，在还原气氛下使炉内温度在1.5h内以5-10℃/min的速度升温至600-800℃，并保温30min，烧结后得到初次烧结物；
(4)将上述步骤(3)中得到的初次烧结物进行破碎、研磨，过200-250目筛，然后放置于烧结炉中进行二次烧结，在还原气氛下使炉内温度在3-5h内以5-10℃/min的速度升温至1350-1450℃，并保温1.5-3h，烧结后自然冷却至室温，即得到陶瓷钢产品。
5.根据权利要求4所述的一种陶瓷钢的制造方法，其特征在于：所述步骤1中的混合组分经过球磨后的粒度为200-240目。
6.根据权利要求4所述的一种陶瓷钢的制造方法，其特征在于：所述粘合剂包括按质量份计的以下组分：钛酸酯8-12份、丙烯酸乳液12-16份、碳酸氢钠8-12份和异丙醇2-5份。
7.根据权利要求4所述的一种陶瓷钢的制造方法，其特征在于：所述烧结炉为真空烧结炉、热等静压烧结炉和等离子体烧结炉中的任意一种。
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