CN109317681B - 氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料，包括氮化钛/铁基合金层以及分布在氮化钛/铁基合金层两侧的钢片，其中，氮化钛在氮化钛/铁基合金层中的质量百分比为10％～30％，铁基合金为铁铬合金，合金中含9wt％Cr，余量为Fe；钢片为高锰钢、不锈钢或低合金钢片，钢片厚度为4～10mm，氮化钛/铁基合金层的厚度为1～2mm；本发明还公开了一种氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的制备方法。本发明氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料既具有良好的耐磨性，又具备良好的塑韧性，适合耐磨工况下使用。

Description

氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合耐磨材料技术领域，具体涉及一种氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷材料的硬度高，耐磨性好，但因其塑性和韧性较低，严重限制了该种材料的进一步应用。过去数十年，研究者们采取了的一些途径，例如相变增韧、微裂纹增韧、纤维增韧等，来增强陶瓷材料的韧性和塑形，取得了一些进展，但都存在各种不足。近年来受仿生结构的启发，发展出的复合材料叠层设计，为克服陶瓷的脆性提供了一条崭新的途径，针对金属陶瓷硬脆的特点，在金属陶瓷间加入了软韧的金属，可互相弥补材料内在的性能不足。叠层结构降低了强度对缺陷的敏感程度，可使材料具有能量耗散结构的应力场，克服金属陶瓷材料因韧性差而发生突发性断裂的致命弱点。
叠层陶瓷复合材料是由层片状的陶瓷和韧性分隔层两部分组成，其性能主要是由这两部分各自的性能和二者界面的结合状态所决定的。但叠层陶瓷复合材料大多是非均质材料，常用热压烧结法，其烧结致密化较困难，烧结中易出现柯肯达尔孔洞，会严重降低复合材料界面结合力，裂纹出现后，会沿界面快速扩展，界面分离时，韧性层的约束力降低，断裂速度加快，从而大幅降低复合材料的力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种氮化钛增强铁基复合层/钢叠层复合材料，解决现有叠层陶瓷复合材料致密性差，界面结合力低的问题。
本发明的另一个目的是提供一种氮化钛增强铁基复合层/钢叠层复合材料的制备方法。
本发明采用的第一技术方案是，一种氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料，包括氮化钛/铁基合金层以及分布在氮化钛/铁基合金层两侧的钢层，氮化钛在氮化钛/铁基合金层中的质量百分比为10％～30％。
本发明的技术特征还在于，
其中，钢层为高锰钢、不锈钢或低合金钢层，钢层厚度为4～10mm，所述氮化钛/铁基合金层的厚度为1～2mm。
铁基合金为铁铬合金，合金中含9wt％Cr，余量为Fe。
本发明采用的第二技术方案是，一种氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取10％～30％氮化钛粉末和70％～90％铁铬合金粉末，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称取的氮化钛粉末和铁铬合金粉末混合均匀；
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，将步骤3过筛后的粉末装进模具中，再通过液压机压制成片状压坯；
步骤5，将步骤4压制的压坯与步骤1中取出的钢片依次交替叠加后置于液压炉中烧结，即得氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料。
其中，步骤1中的钢片为高锰钢、不锈钢或低合金钢片。
步骤1中氮化钛粉的纯度≥99％，铁铬合金粉中含9wt％Cr，余量为Fe。
步骤2中，球磨机混粉选用的磨球为氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min。
步骤4中，液压机压制粉末的压强优选用250MPa。
步骤5中，液压炉中采用高纯氩气气氛保护，气流量3m2/h。
步骤5中，烧结过程中最高温度为1100℃～1130℃。
本发明的有益效果是：
(1)通过将大量氮化钛陶瓷颗粒均匀包裹于连续的铁素体基体中，再将陶瓷增强的铁基体层与钢层进行叠层复合，由于复合材料中金属元素同质，避免了热压烧结时出现的孔洞，且不存在界面结合问题；
(2)复合增强体一方面形成聚集高硬度增强区，提高材料硬度和耐磨性，另一方面，使铁基体大面积连续，以延长裂纹扩展路径，吸收扩展能量，改善了材料的塑性和韧性；
(3)通过将铁基合金粉与氮化钛粉混合烧结，使材料中均匀分布着大量细小的TiN硬质相颗粒，其与粘结相铁素体之间摩擦作用小，并且TiN抗粘着能力强，抗氧化温度范围大，故该氮化钛增强铁基复合层/钢叠层复合材料可广泛应用于冶金、矿山、电力和机械等领域。
附图说明
图1是本发明氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的结构示意图。
图中，1.钢层，2.氮化钛增强铁基复合层。
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此。
参照图1，本发明提供了一种氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料，包括氮化钛/铁基合金层2以及分布在氮化钛/铁基合金层两侧的钢层1，其中，氮化钛在氮化钛/铁基合金层2中的质量百分比为10％～30％，铁基合金为铁铬合金，合金中含9wt％Cr，余量为Fe；钢层1为高锰钢、不锈钢或低合金钢层，钢层1厚度为4～10mm，氮化钛/铁基合金层2的厚度为1～2mm。
本发明还提供了上述氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取10％～30％氮化钛粉末(纯度≥99％)和70％～90％铁铬合金粉末，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干高锰钢、不锈钢或低合金钢片，铁铬合金粉中含9wt％Cr，余量为Fe；
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的氮化钛粉末和铁铬合金粉末混合均匀，选用的磨球为氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min；
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，将步骤3过筛后的粉末装进模具中，再通过液压机压制成片状压坯，液压机压制粉末的压强优选用250MPa；
步骤5，将步骤4压制的片状压坯与步骤1中取出的钢片依次交替叠加后置于液压炉中烧结，即得氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料；液压炉中采用氩气气氛保护，气流量3m2/h。
实施例1
制备一种TiN增强铁基复合层/Mn13钢叠层耐磨材料，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取10％氮化钛粉末(纯度≥99％)和90％铁铬合金粉末(含9wt％Cr，余量为Fe)，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干10mm厚的Mn13钢片；
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的氮化钛粉末和铁铬合金粉末混合均匀，选用的磨球为氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min，球料比20:1，球磨时间6h；
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，将步骤3过筛后的粉末装进金属模具中，再通过液压机压制成片状压坯，液压机压制粉末的压强优选用250MPa，压坯成型厚度1.25mm；
步骤5，将步骤4压制的压坯与步骤1中准备的钢片依次交替叠加后置于液压炉中烧结，采用纯度≥99.9％的氩气气氛保护，气流量为3m2/h，逐步升温至1100℃后保温2h，液压炉中压强保持在60MPa，随炉冷却，即得TiN增强铁基复合层/Mn13钢叠层耐磨材料。
对制得的TiN增强铁基复合层/Mn13钢叠层耐磨材料进行观测，观测结果如下：
(1)微观组织
尺寸参数：经测量，复合材料叠层中Mn13高锰钢层厚约10mm，TiN/Fe层厚约1mm。
经观察其显微组织，TiN/Fe层与Mn13高锰钢层的界面结合状态良好，TiN/Fe层金相组织主要为α-Fe和TiN硬质相。
(2)力学性能：
硬度测试结果显示TiN/Fe层各个部位显微硬度几乎相同，说明其致密性良好，TiN/Fe层多个部位的硬度测试平均值为945HV。
实施例2
制备一种TiN增强铁基复合层/AM360合金钢叠层耐磨材料，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取15％氮化钛粉末(纯度≥99％)和85％铁铬合金粉末(含9wt％Cr，余量为Fe)，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干6mm厚的AM360合金钢片；
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的氮化钛粉末和铁铬合金粉末混合均匀，选用的磨球为氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min，球料比10:1，球磨时间9h；
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，将步骤3过筛后的粉末装进金属模具中，再通过液压机压制成片状压坯，液压机压制粉末的压强优选用250MPa，压坯成型厚度1.9mm；
步骤5，将步骤4压制的压坯与步骤1中准备的钢片依次交替叠加后置于液压炉中烧结，采用纯度≥99.9％的氩气气氛保护，气流量为3m2/h，逐步升温至1130℃后保温4h，液压炉中压强保持在80MPa，随炉冷却，即得TiN增强铁基复合层/AM360合金钢叠层耐磨材料。
对制得的TiN增强铁基复合层/AM360合金钢叠层耐磨材料进行观测，观测结果如下：
(1)微观组织
尺寸参数：经测量，复合材料叠层中AM360合金钢层厚约6mm，TiN/Fe层厚约1.5mm。
经观察其显微组织，TiN/Fe层与AM360合金钢层的界面结合状态良好，TiN/Fe层金相组织主要为α-Fe和TiN硬质相。
(2)力学性能：
硬度测试结果显示TiN/Fe层各个部位显微硬度几乎相同，说明其致密性良好，TiN/Fe层多个部位的硬度测试平均值为954HV。
实施例3
制备一种TiN增强铁基复合层/AM360合金钢叠层耐磨材料，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取20％氮化钛粉末(纯度≥99％)和80％铁铬合金粉末(含9wt％Cr，余量为Fe)，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干6mm厚的AM360合金钢片；
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的氮化钛粉末和铁铬合金粉末混合均匀，选用的磨球为氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min，球料比10:1，球磨时间9h；
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，将步骤3过筛后的粉末装进金属模具中，再通过液压机压制成片状压坯，液压机压制粉末的压强优选用250MPa，压坯成型厚度1.9mm；
步骤5，将步骤4压制的压坯与步骤1中准备的钢片依次交替叠加后置于液压炉中烧结，采用纯度≥99.9％的氩气气氛保护，气流量为3m2/h，逐步升温至1130℃后保温4h，液压炉中压强保持在80MPa，随炉冷却，即得TiN增强铁基复合层/AM360合金钢叠层耐磨材料。
对制得的TiN增强铁基复合层/AM360合金钢叠层耐磨材料进行观测，观测结果如下：
(1)微观组织
尺寸参数：经测量，复合材料叠层中AM360合金钢层厚约6mm，TiN/Fe层厚约1.5mm。
经观察其显微组织，TiN/Fe层与AM360合金钢层的界面结合状态良好，TiN/Fe层金相组织主要为α-Fe和TiN硬质相。
(2)力学性能：
硬度测试结果显示TiN/Fe层各个部位显微硬度几乎相同，说明其致密性良好，TiN/Fe层多个部位的硬度测试平均值为960HV。
实施例4
制备一种TiN增强铁基复合层/Mn13钢叠层耐磨材料，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取25％氮化钛粉末(纯度≥99％)和75％铁铬合金粉末(含9wt％Cr，余量为Fe)，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干4mm厚的Mn13钢片；
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的氮化钛粉末和铁铬合金粉末混合均匀，选用的磨球为氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min，球料比20:1，球磨时间12h；
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，将步骤3过筛后的粉末装进金属模具中，再通过液压机压制成片状压坯，液压机压制粉末的压强优选用250MPa，压坯成型厚度2.5mm；
步骤5，将步骤4压制的压坯与步骤1中准备的钢片依次交替叠加后置于液压炉中烧结，采用纯度≥99.9％的氩气气氛保护，气流量为3m2/h，逐步升温至1130℃后保温6h，液压炉中压强保持在100MPa，随炉冷却，即得TiN增强铁基复合层/Mn13钢叠层耐磨材料。
对制得的TiN增强铁基复合层/Mn13钢叠层耐磨材料进行观测，观测结果如下：
(1)微观组织
尺寸参数：经测量，复合材料叠层中Mn13钢层厚约4mm，TiN/Fe层厚约2mm。
经观察其显微组织，TiN/Fe层与Mn13钢层的界面结合状态良好，TiN/Fe层金相组织主要为α-Fe和TiN硬质相。
(2)力学性能：
硬度测试结果显示TiN/Fe层各个部位显微硬度几乎相同，说明其致密性良好，TiN/Fe层多个部位的硬度测试平均值为966HV。
实施例5
制备一种TiN增强铁基复合层/520B不锈钢叠层耐磨材料，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取30％氮化钛粉末(纯度≥99％)和70％铁铬合金粉末(含9wt％Cr，余量为Fe)，以上各组分的质量百分比总和为100％；准备若干4mm厚的520B不锈钢片；
步骤2，采用球磨机将步骤1称取的氮化钛粉末和铁铬合金粉末混合均匀，选用的磨球为氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min，球料比20:1，球磨时间12h；
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，将步骤3过筛后的粉末装进金属模具中，再通过液压机压制成片状压坯，液压机压制粉末的压强优选用250MPa，压坯成型厚度2.5mm；
步骤5，将步骤4压制的压坯与步骤1中准备的钢片依次交替叠加后置于液压炉中烧结，采用纯度≥99.9％的氩气气氛保护，气流量为3m2/h，逐步升温至1130℃后保温6h，液压炉中压强保持在100MPa，随炉冷却，即得TiN增强铁基复合层/520B不锈钢叠层耐磨材料。
对制得的TiN增强铁基复合层/520B不锈钢叠层耐磨材料进行观测，观测结果如下：
(1)微观组织
尺寸参数：经测量，复合材料叠层中520B不锈钢层厚约4mm，TiN/Fe层厚约2mm。
经观察其显微组织，TiN/Fe层与520B不锈钢层的界面结合状态良好，TiN/Fe层金相组织主要为α-Fe和TiN硬质相。
(2)力学性能：
硬度测试结果显示TiN/Fe层各个部位显微硬度几乎相同，说明其致密性良好，TiN/Fe层多个部位的硬度测试平均值为970HV。
从以上五个实施例可以看出，本发明制备的氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料中钢层与TiN/Fe层的界面结合良好；TiN/Fe层的硬度最低为945HV，TiN/Fe层硬度随其中氮化钛粉末的增加而增大，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 (5)

1.氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取10％～30％氮化钛粉末和70％～90％铁铬合金粉末，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称取的氮化钛粉末和铁铬合金粉末混合均匀；
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，将步骤3过筛后的粉末装进模具中，再通过液压机压制成片状压坯；
步骤5，将步骤4压制的压坯与步骤1中取出的钢片依次交替叠加后置于液压炉中烧结，即得氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料；液压炉中采用高纯氩气气氛保护，气流量为3m3/h，烧结温度为1100℃～1130℃。
2.根据权利要求1所述的氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的钢片为高锰钢、不锈钢或低合金钢片。
3.根据权利要求1所述的氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中氮化钛粉的纯度≥99％，铁铬合金粉中含9wt％Cr，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，球磨机混粉选用的磨球为氧化锆磨球，球磨机转速为300r/min。
5.根据权利要求1所述的氮化钛增强铁基复合层/钢叠层耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，液压机压制粉末的压强为250MPa。
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