CN109957743A - 一种轻质耐磨铁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种轻质耐磨铁基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质耐磨铁基复合材料及其制备方法。该铁基复合材料包括以下组分：铁粉、钼粉、钨粉、镍粉、铜粉、石墨粉、氮化硅、镧系稀土金属、秸秆粉、碳纤维、碳纳米管、聚乙烯醇、硬脂酸锌和壳聚糖。将铁粉、钼粉、钨粉、镍粉、铜粉投入球磨机中，并加入石墨粉和硬脂酸锌混合得第一混合物；将氮化硅、镧系稀土金属、秸秆粉、碳纤维、碳纳米管、聚乙烯醇投入管式炉中加热融化后，压制得坯料；将坯料浸入壳聚糖中，并将第一混合物喷洒在坯料外表面烧结1‑3h，轧压，再浸入壳聚糖中，再次烧结，重复浸入轧压操作后，高频淬火后回火处理即可。本发明制备的铁基复合材料具有较高的抗疲劳、耐磨性和抗压强度，特别适合作为货架使用。

Description

一种轻质耐磨铁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金的技术领域，具体地涉及一种轻质耐磨铁基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着现代工业的发展，单纯的钢铁材料越来越难以满足使用要求。铁基复合材料由于较高性价比，被广泛应用。铁基复合材料以铁为主，加入镍、铬、锰等在烧结过程中实现合金化，参与基体的形成，进一步提高铁基摩擦材料的热稳定性和力学轻度。目前，铁基复合材料质地重，成本高，且力学性能差。
碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维量子材料。重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。
氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轻质耐磨铁基复合材料及其制备方法，该铁基复合材料的耐磨性好，质地轻，便于运输。
一种轻质耐磨铁基复合材料，包括以下按重量份数计的组分：铁粉100-120份、钼粉1-8份、钨粉10-30份、镍粉15-25份、铜粉5-15份、石墨粉1-4份、氮化硅1-10份、镧系稀土金属0.1-0.5份、秸秆粉25-40份、碳纤维10-20份、碳纳米管8-12份、聚乙烯醇20-40份、硬脂酸锌40-60份、壳聚糖2-8份；所述粉末的粒径均为25-40μm。
作为改进的是，上述轻质耐磨铁基复合材料，包括以下按重量份数计的组分：铁粉110份、钼粉6份、钨粉18份、镍粉22份、铜粉12份、石墨粉3份、氮化硅8份、镧系稀土金属0.2份、秸秆粉38份、碳纤维28份、碳纳米管10份、聚乙烯醇28份、硬脂酸锌58份、壳聚糖6份。
作为改进的是，所述镧系稀土金属为硝酸镧。
作为改进的是，所述碳纳米管为单层纳米管。
上述轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将铁粉、钼粉、钨粉、镍粉、铜粉投入球磨机中，并加入石墨粉和硬脂酸锌混合1-2h后得第一混合物；步骤2，将氮化硅、镧系稀土金属、秸秆粉、碳纤维、碳纳米管、聚乙烯醇投入管式炉中加热融化后，压制得坯料；步骤3，将坯料浸入壳聚糖中，并将第一混合物喷洒在坯料外表面，1500-1800℃下烧结1-3h，轧压，再浸入壳聚糖中，再次烧结，重复浸入轧压操作2-5次后，高频淬火5-10min后回火处理，即得铁基复合材料。
作为改进的是，步骤1中石墨粉和硬脂酸锌重量比为1：2。
作为改进的是，步骤2中压制所用的压力为500-600MPa。
作为改进的是，步骤3中高频淬火的温度为700-850℃。
有益效果：
与现有技术相比，本发明轻质耐磨铁基复合材料工艺简单，通过镧系稀土金属将氮化硅负载在秸秆粉、碳纤维和碳纳米管的混合物上烧结得到的坯料，再将坯料上喷洒金属粉混合物，制备的铁基复合材料具有较高的抗疲劳、耐磨性和抗压强度，特别适合作为货架使用。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细介绍。
实施例1
一种轻质耐磨铁基复合材料，包括以下按重量份数计的组分：铁粉100份、钼粉1份、钨粉10份、镍粉15份、铜粉5份、石墨粉1份、氮化硅1份、硝酸镧0.1份、秸秆粉25份、碳纤维10份、单层纳米管8份、聚乙烯醇20份、硬脂酸锌40份、壳聚糖2份；所述粉末的粒径均为25μm。
上述轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将铁粉、钼粉、钨粉、镍粉、铜粉投入球磨机中，并加入石墨粉和硬脂酸锌混合1h后得第一混合物；步骤2，将氮化硅、镧系稀土金属、秸秆粉、碳纤维、碳纳米管、聚乙烯醇投入管式炉中加热融化后，500MPa下压制得坯料；步骤3，将坯料浸入壳聚糖中，并将第一混合物喷洒在坯料外表面，1500-1800℃下烧结1-3h，轧压，再浸入壳聚糖中，再次烧结，重复浸入轧压操作2-5次后，700℃高频淬火5min后回火处理，即得铁基复合材料。
其中，步骤1中石墨粉和硬脂酸锌重量比为1：2。
实施例2
一种轻质耐磨铁基复合材料，包括以下按重量份数计的组分：铁粉110份、钼粉6份、钨粉18份、镍粉22份、铜粉12份、石墨粉3份、氮化硅8份、硝酸镧0.2份、秸秆粉38份、碳纤维28份、单层纳米管10份、聚乙烯醇28份、硬脂酸锌58份、壳聚糖6份；所述粉末的粒径均为25-40μm。
上述轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将铁粉、钼粉、钨粉、镍粉、铜粉投入球磨机中，并加入石墨粉和硬脂酸锌混合1.2h后得第一混合物；步骤2，将氮化硅、镧系稀土金属、秸秆粉、碳纤维、碳纳米管、聚乙烯醇投入管式炉中加热融化后，580MPa压制得坯料；步骤3，将坯料浸入壳聚糖中，并将第一混合物喷洒在坯料外表面，1500-1800℃下烧结1-3h，轧压，再浸入壳聚糖中，再次烧结，重复浸入轧压操作2-5次后，800℃高频淬火8min后回火处理，即得铁基复合材料。
其中，步骤1中石墨粉和硬脂酸锌重量比为1：2。
实施例3
一种轻质耐磨铁基复合材料，包括以下按重量份数计的组分：铁粉100-120份、钼粉1-8份、钨粉10-30份、镍粉15-25份、铜粉5-15份、石墨粉1-4份、氮化硅1-10份、硝酸镧0.1-0.5份、秸秆粉25-40份、碳纤维10-20份、单层纳米管8-12份、聚乙烯醇20-40份、硬脂酸锌40-60份、壳聚糖2-8份；所述粉末的粒径均为25-40μm。
上述轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将铁粉、钼粉、钨粉、镍粉、铜粉投入球磨机中，并加入石墨粉和硬脂酸锌混合2h后得第一混合物；步骤2，将氮化硅、镧系稀土金属、秸秆粉、碳纤维、碳纳米管、聚乙烯醇投入管式炉中加热融化后，600MPa压制得坯料；步骤3，将坯料浸入壳聚糖中，并将第一混合物喷洒在坯料外表面，1500-1800℃下烧结3h，轧压，再浸入壳聚糖中，再次烧结，重复浸入轧压操作2-5次后， 850℃高频淬火10min后回火处理，即得铁基复合材料。
其中，步骤1中石墨粉和硬脂酸锌重量比为1：2。
对比例1
一种轻质耐磨铁基复合材料，包括以下按重量份数计的组分：铁粉110份、钼粉6份、钨粉18份、镍粉22份、铜粉12份、石墨粉3份、氮化硅8份、硝酸镧0.2份、秸秆粉38份、碳纤维28份、单层纳米管10份、聚乙烯醇28份、硬脂酸锌58份、壳聚糖6份；所述粉末的粒径均为25-40μm。
上述轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，，800℃高频淬火8min后回火处理，即得铁基复合材料。其中，步骤1中石墨粉和硬脂酸锌重量比为1：2。
根据国标对实施例1-3和对比例1的铁基复合材料进行检测，检测数据如下表所示。
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
维氏硬度（kg/mm<sup>2</sup>） 725.5 758.1 694.8 426.8
抗弯强度（MPa） 1758 1925 1846 1524
抗冲击韧性（J·cm<sup>2</sup>） 12.5 15.8 13.5 8.2
磨损率（10<sup>-6</sup>mm<sup>3</sup>/Nm） 158 125 138 240
耐酸 ≤6.2 ≤5.8 ≤6.0 ≤6.8
耐碱 ≥8.2 ≥7.8 ≥8.0 ≥8.8
从上述结果可以看出，本发明铁基复合材料的维氏硬度和抗弯强度大，承重能力强，适合作用货架材料使用，另外该铁基复合材料耐磨性好，耐酸碱，使用时间长。
另外，本发明不限于上述实施方式，只要在不超出本发明的范围内，可以采取各种方式实施本发明。

Claims (8)

1.一种轻质耐磨铁基复合材料，其特征在于，包括以下按重量份数计的组分：铁粉100-120份、钼粉1-8份、钨粉10-30份、镍粉15-25份、铜粉5-15份、石墨粉1-4份、氮化硅1-10份、镧系稀土金属0.1-0.5份、秸秆粉25-40份、碳纤维10-20份、碳纳米管8-12份、聚乙烯醇20-40份、硬脂酸锌40-60份、壳聚糖2-8份；所述粉末的粒径均为25-40μm。
2.根据权利要求1所述的一种轻质耐磨铁基复合材料，其特征在于，包括以下按重量份数计的组分：铁粉110份、钼粉6份、钨粉18份、镍粉22份、铜粉12份、石墨粉3份、氮化硅8份、镧系稀土金属0.2份、秸秆粉38份、碳纤维28份、碳纳米管10份、聚乙烯醇28份、硬脂酸锌58份、壳聚糖6份。
3.根据权利要求1所述的一种轻质耐磨铁基复合材料，其特征在于，所述镧系稀土金属为硝酸镧。
4.根据权利要求1所述的一种轻质耐磨铁基复合材料，其特征在于，所述碳纳米管为单层纳米管。
5.基于权利要求1所述的一种轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1，将铁粉、钼粉、钨粉、镍粉、铜粉投入球磨机中，并加入石墨粉和硬脂酸锌混合1-2h后得第一混合物；步骤2，将氮化硅、镧系稀土金属、秸秆粉、碳纤维、碳纳米管、聚乙烯醇投入管式炉中加热融化后，压制得坯料；步骤3，将坯料浸入壳聚糖中，并将第一混合物喷洒在坯料外表面，1500-1800℃下烧结1-3h，轧压，再浸入壳聚糖中，再次烧结，重复浸入轧压操作2-5次后，高频淬火5-10min后回火处理，即得铁基复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中石墨粉和硬脂酸锌重量比为1：2。
7.根据权利要求5所述的一种轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中压制所用的压力为500-600MPa。
8.根据权利要求5所述的一种轻质耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中高频淬火的温度为700-850℃。
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