CN109397788B - 一种高锰钢基多层耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高锰钢基多层耐磨复合材料，包括交替叠加的高锰钢层和氧化物陶瓷/铁层，其中氧化物陶瓷/铁层中的氧化物陶瓷为氧化铝硬质点、氧化钛硬质点或氧化锆硬质点，高锰钢层厚度为4～10mm，氧化物陶瓷/铁层厚为1～2mm；本发明还公开了一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法。本发明制备的高锰钢基多层耐磨复合材料抗磨损性能优良，兼具强韧性。

Description

一种高锰钢基多层耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨复合材料技术领域，具体涉及一种高锰钢基多层耐磨复合材料及其制备方法。
背景技术
高锰钢是抵抗强冲击、大压力物料磨损等耐磨材料中的最佳选择，具有其它耐磨材料无法比拟的加工硬化特性。在较大冲击载荷或较大接触应力的作用下，高锰钢表层产生加工硬化，表面硬度由HB200迅速提升到HB500以上，从而产生高耐磨的表面层，而内部奥氏体仍保持良好的冲击韧性。因这些特性，使高锰钢长期以来广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等行业的机械设备中。但是，高锰钢的耐磨性只是在具备足以形成加工硬化的条件下才表现出其优越性，其他情况下则表现很差。如何能更有效的发挥高锰钢的加工硬化特性，并同时保证其在未发生加工硬化前具有优良的耐磨和抗冲击性能，是本领域研究的热点。
采用硬质颗粒相增强高锰钢是应对高锰钢在中、低应力条件下，加工硬化不充分、初始硬度低的主要手段，如董世知等采用氧乙炔焰在Q235钢基体上制备碳化钨/高锰钢堆焊层；田山雪等用消失模铸造法制备了Al2O3陶瓷增强高锰钢基复合材料。但是，以往采取的颗粒表面增强高锰钢材料或颗粒整体增强高锰钢材料都有其固有缺点，即表面增强仅仅提升了工作面的性能，在经过一段时间的服役期限后，表面层逐渐磨损脱落而失效；整体增强时存在强韧性倒置关系，随着增强相体积分数的提高，复合材料硬度、耐磨性改善，但塑/韧性降低明显，探索新型复合材料结构体系是解决上述问题的有效方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高锰钢基多层耐磨复合材料，解决现有耐磨复合材料塑性和韧性低的问题。
本发明的另一目的是提供一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法。
本发明采用的第一技术方案是，一种高锰钢基多层耐磨复合材料，包括交替叠加的高锰钢层和氧化物陶瓷/铁层，所述氧化物陶瓷/铁层中的氧化物陶瓷为氧化铝硬质点、氧化钛硬质点或氧化锆硬质点。
本发明的技术特征还在于，
其中，高锰钢层厚度为4～10mm，氧化物陶瓷/铁层厚为1～2mm。
本发明采用的第二技术方案是，一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，分别称取铁粉和金属氧化粉末，该金属氧化粉末为氧化铝粉、氧化钛粉或氧化镐粉中一种或多种，以上各组分的质量百分比总和为100％，准备若干高锰钢板；
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，然后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中准备的高锰钢板交替叠加后烧结，即得高锰钢基多层耐磨复合材料预制体；
步骤6，对步骤5烧结得到的复合材料进行水韧处理后，即得高锰钢基多层耐磨复合材料。
其中，步骤1中的高锰钢片厚度为4～10mm。
步骤4中压坯厚度为1.25～2.5mm。
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10：1～30：1，球磨时间6～12h。
步骤4中，将粉末装进模具中压制成片状压坯，根据压片受压面积确定压制压力，单位压制压力为1.0～1.5t/cm2。
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6中，预制体加热温度最高为1080℃，保温时间按每25mm壁厚保温1h。
本发明的技术效果是，通过设计新型的多层复合结构，增强相片层与基体片层交替层叠，叠层的垂直面作为工作表面，简便地实现了强韧性的综合改善，高韧性的高锰钢层吸收裂纹扩展能量，改善韧性；高体积分数陶瓷硬质点/铁复合层提高材料硬度，改善耐磨性，使制备的复合材料抗磨损性能优良，兼具强韧性，提高了材料的综合使用性能，使其可广泛应用于冶金、矿山、电力、机械等领域。
附图说明
图1是本发明一种高锰钢基多层耐磨复合材料的示意图。
图中，1.高锰钢层，2.氧化物陶瓷/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。
本发明提供了一种高锰钢基多层耐磨复合材料，包括交替叠加的高锰钢层1和氧化物陶瓷/铁层2，其中，氧化物陶瓷/铁层2中的氧化物陶瓷为氧化铝硬质点、氧化钛硬质点或氧化锆硬质点，高锰钢层1厚度为4～10mm，氧化物陶瓷/铁层2厚度为1～2mm。
本发明还提供了上述高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，分别称取铁粉和金属氧化粉末，该金属氧化粉末为氧化铝粉、氧化钛粉或氧化镐粉中一种或多种，以上各组分的质量百分比总和为100％，准备若干厚度为4～10mm的高锰钢板；
步骤2，采用行星式高能球磨机将步骤1称取的粉末状原料球磨细化，混合均匀，球磨机参数优选转速300～400r/min，球料比10：1～30：1，球磨时间6～12h；
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，给步骤3过筛后的粉末中添加2～4wt％的石蜡作为成形剂，将其装进模具中压制成厚度为1.25～2.5mm的片状压坯，单位压制压力为1.0～1.5t/cm2；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的高锰钢板交替叠加后烧结，即得高锰钢基多层耐磨复合材料预制体；烧结前需先对压坯进行预烧脱蜡，脱蜡温度在500～600℃；
步骤6，对步骤5烧结得到的复合材料进行水韧处理，即将步骤5得到的复合材料预制体加热后保温一段时间，加热温度最高为1080℃，保温时间按每25mm壁厚保温1h，之后快速冷却，即得高锰钢基多层耐磨复合材料。
实施例1
制备一种Mn13钢-Al2O3+TiO2/Fe多层耐磨复合材料，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取10％铁粉、77％氧化铝粉和13％氧化钛粉，以上各组分的质量百分比总和为100％，准备若干厚度为10mm的Mn13钢片；
步骤2，采用行星式高能球磨机将步骤1称取的粉末状原料球磨细化，混合均匀，采用氧化铝磨球，球磨机转速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，在步骤3过筛后的粉末中添加2wt％的石蜡作为成形剂，将其装进金属模具中，通过液压机在250MPa压强下压制成厚度为1.25mm的片状压坯；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加后，放入液压炉中烧结，即得Mn13钢-Al2O3+TiO2/Fe多层耐磨复合材料预制体；在烧结前需先进行预烧脱蜡，脱蜡温度在500℃。最终烧结温度1100℃，保温2h，保温过程加100MPa压强；
步骤6，对步骤5烧结得到的复合材料预制体进行水韧处理，即将步骤5得到的复合材料预制体加热后保温一段时间，加热温度最高为1080℃，保温时间按每25mm壁厚保温1h，之后快速冷却，即得Mn13钢-Al2O3+TiO2/Fe多层耐磨复合材料。
对制得的Mn13钢-Al2O3+TiO2/Fe多层耐磨复合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：呈叠层的复合材料中，Mn13钢层厚约10mm，Al2O3+TiO2/Fe层厚约1mm。
金相组织主要为：Al2O3硬质点、TiO2硬质点和Fe。
(2)力学性能：
测试结果显示Al2O3+TiO2/Fe层各个部位的显微硬度值均在1070～1250HV0.3范围内，表明其各个部位硬度值相差不大，说明该Al2O3+TiO2/Fe层致密性较好。
实施例2
制备一种Mn13钢-Al2O3/Fe多层耐磨复合材料，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取10％铁粉和90％氧化铝粉，以上各组分的质量百分比总和为100％，准备若干厚度为4mm的Mn13钢片；
步骤2，采用行星式高能球磨机将步骤1称取的粉末状原料球磨细化，混合均匀，采用氧化铝磨球，球磨机转速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，在步骤3过筛后的粉末中添加2wt％的石蜡作为成形剂，将其装进金属模具中，通过液压机在250MPa压强下压制成厚度为2.5mm的片状压坯；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加后，放入液压炉中烧结，即得Mn13钢-Al2O3/Fe多层耐磨复合材料预制体；在烧结前需先进行预烧脱蜡，脱蜡温度在550℃。最终烧结温度1100℃，保温2h，保温过程加100MPa压强；
步骤6，对步骤5烧结得到的复合材料预制体进行水韧处理，即将步骤5得到的复合材料预制体加热后保温一段时间，加热温度最高为1080℃，保温时间按每25mm壁厚保温1h，之后快速冷却，即得Mn13钢-Al2O3/Fe多层耐磨复合材料。
对制得的Mn13钢-Al2O3/Fe多层耐磨复合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：呈叠层的复合材料中，Mn13钢层厚约4mm，Al2O3/Fe层厚约2mm。
金相组织主要为：Al2O3硬质点和Fe。
(2)力学性能：
测试结果显示Al2O3/Fe层各个部位的显微硬度值均在1030～1200HV0.5范围内，表明其各个部位硬度值相差不大，说明该Al2O3/Fe层致密性较好。
实施例3
制备一种Mn13钢-ZrO2/Fe多层耐磨复合材料，具体包括以下步骤：
步骤1，按质量百分比分别称取10％铁粉和90％ZrO2粉，以上各组分的质量百分比总和为100％，准备若干厚度为6mm的Mn13钢片；
步骤2，采用行星式高能球磨机将步骤1称取的粉末状原料球磨细化，混合均匀，采用氧化锆磨球，球磨机转速300r/min，球料比20：1，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，在步骤3过筛后的粉末中添加2wt％的石蜡作为成形剂，将其装进金属模具中，通过液压机在250MPa压强下压制成厚度为1.9mm的片状压坯；
步骤5，将步骤4的压坯与步骤1中准备的钢片交替叠加后，放入液压炉中烧结，即得Mn13钢-ZrO2/Fe多层耐磨复合材料预制体；在烧结前需先进行预烧脱蜡，脱蜡温度在600℃。最终烧结温度1130℃，保温2h，保温过程加100MPa压强；
步骤6，对步骤5烧结得到的复合材料预制体进行水韧处理，即将步骤5得到的复合材料预制体加热后保温一段时间，加热温度最高为1080℃，保温时间按每25mm壁厚保温1h，之后快速冷却，即得Mn13钢-ZrO2/Fe多层耐磨复合材料。
对制得的Mn13钢-ZrO2/Fe多层耐磨复合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：呈叠层的复合材料中，Mn13钢层厚约6mm，ZrO2/Fe层厚约1.5mm。
金相组织主要为：ZrO2硬质点和Fe。
(2)力学性能：
测试结果显示ZrO2/Fe层各个部位的显微硬度值均在65HRC左右，表明其各个部位硬度值相差不大，说明该ZrO2/Fe层致密性较好。

Claims (6)

1.一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分别称取铁粉和金属氧化粉末，所述金属氧化粉末为氧化铝粉、氧化钛粉和氧化锆粉中一种或多种，以上各组分的质量百分比总和为100%，其中，铁粉的质量百分比为10wt%，准备若干高锰钢板；
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，然后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中准备的高锰钢板交替叠加后烧结，即得高锰钢基多层耐磨复合材料预制体；
步骤6，对步骤5烧结得到的复合材料进行水韧处理后，即得高锰钢层（1）和氧化物陶瓷/铁层（2）交替叠加的高锰钢基多层耐磨复合材料，高锰钢层（1）厚度为4~10mm，氧化物陶瓷/铁层（2）厚度为1~2 mm；所述步骤6中，预制体加热温度最高为1080℃，保温时间按每25mm壁厚保温1h。
2.根据权利要求1所述的一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的高锰钢板厚度为4~10mm。
3.根据权利要求1所述的一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中压坯厚度为1.25~2.5 mm。
4.根据权利要求1所述的一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中球磨机为行星式高能球磨机，球磨机转速为300~400r/min，球料比为10：1~30：1，球磨时间为6~12 h。
5.根据权利要求1所述的一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，将粉末装进模具中压制成片状压坯，单位压制压力为1.0~1.5 t/cm2。
6.根据权利要求1所述的一种高锰钢基多层耐磨复合材料的制备方法，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℃。
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