CN110484760A - 一种新型陶瓷耐磨复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型陶瓷耐磨复合材料，以重量份计，原料组成包括：钢材70‑80％、高岭土2‑3％、铝矾土3‑5％、石英砂3‑8％、云母1‑3％、膨润土1‑2％、蓝晶石1‑2％、重晶石1‑2％、方解石1‑2％、石墨1‑2％、莹石1‑2％、长石1‑2％、莫来石1‑2％、SiC 0.5‑1.5％、沸石1‑2％、硅灰石1‑3％、尖晶石1‑2％、水晶石1‑2％和铝镁矿1‑2％。该新型陶瓷耐磨复合材料具有较高的强度、硬度和耐磨性，可以替代常规的贵金属耐磨钢，从而应用于磨损严重行业，制作承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机腭板和铁轨分道叉等。

Description

一种新型陶瓷耐磨复合材料

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合材料领域，具体涉及一种陶瓷钢耐磨复合材料。

背景技术

特种耐磨材料是新材料领域的核心，在全球新材料研究领域中，耐磨材料约占80％。随着信息社会的到来，特种耐磨材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高新技术发展中战略竞争的热点。如欧盟的第六框架计划和韩国的国家计划等在他们最新科技发展计划中，都把耐磨材料技术列为关键技术之一加以重点支持。各国都非常强调耐磨材料对发展本国国民经济、保卫国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作用。

本发明的技术研发主要以国内非金属陶瓷材料“Fe、Si”为主系材料替代现在钢中“Fe、C”为主系材料，大量使用铝硅酸盐陶瓷材料替代现在钢中的合金元素的新型材料，利用非金属陶瓷材料作为新钢种添加元素，如(高岭土、铝矾土、Na、Ca、石英砂、K、Al₂O₃、云母、膨润土、蓝晶石、SiO₂、重晶石、方解石、石墨、莹石、长石、莫来石、SiC、沸石、硅灰石、尖晶石、石榴石、水晶石、铝镁矿等铝硅酸盐原矿石粉材与废旧金属材料在电炉加热熔炼使材料不同温度阶段化合分解结晶思路。在电炉熔炼有效的温度1650℃范围内将陶瓷材料的进行融化分解结晶、再分解再结晶的三次分解结晶的过程，形成陶瓷弥散复合结构强化相，在高温化合物作用下有利改变原子结构，产生新的键能，使其晶体结构达到新的组合新型钢种材料—陶瓷耐磨复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型陶瓷耐磨复合材料，该新型陶瓷耐磨复合材料具有较高的强度、硬度和耐磨性，可以替代常规的贵金属耐磨钢，从而应用于磨损严重行业，制作承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机腭板和铁轨分道叉等。

为了实现上述目的，本发明提供了一种新型陶瓷耐磨复合材料，以重量份计，原料组成包括：钢材70-80％、高岭土2-3％、铝矾土3-5％、石英砂3-8％、云母1-3％、膨润土1-2％、蓝晶石1-2％、重晶石1-2％、方解石1-2％、石墨1-2％、莹石1-2％、长石1-2％、莫来石1-2％、SiC0.5-1.5％、沸石1-2％、硅灰石1-3％、尖晶石1-2％、水晶石1-2％和铝镁矿1-2％。

优选地，所述新型陶瓷耐磨复合材料通过将所述原料熔炼后得到。

优选地，采用中频电炉或电弧炉熔炼。

优选地，钢材为废钢。

其中，新型陶瓷耐磨复合材料的金相组织为：马氏体+残留A+贝氏体。

其中，新型陶瓷耐磨复合材料的屈服强度为310-370MPa，拉伸强度为440-480MPa，延伸率为8-10％，断面收缩率为10-20％。

其中，新型陶瓷耐磨复合材料的显微硬度为：黑色相的显微硬度为300-520HV，白色相的显微硬度为200-300HV。

其中，新型陶瓷耐磨复合材料的平均摩擦系数为0.14-0.17。

通过上述技术方案，本发明陶瓷耐磨复合材料可有效提高钢的强度、硬度及耐磨性等性能；使其使用寿命为其他的2-3倍；可取代Mo、Ni、Ti、Cu、V、W、Re等贵金属；价格低廉，节约成本，广泛应用于冶金、矿山、农机、煤炭、电力、造船、纺织等磨损严重行业，承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机腭板和铁轨分道叉等。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是实施例1所得的新型陶瓷耐磨复合材料的金相图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供一种新型陶瓷耐磨复合材料，以重量份计，原料组成包括：钢材70-80％、高岭土2-3％、铝矾土3-5％、石英砂3-8％、云母1-3％、膨润土1-2％、蓝晶石1-2％、重晶石1-2％、方解石1-2％、石墨1-2％、莹石1-2％、长石1-2％、莫来石1-2％、SiC0.5-1.5％、沸石1-2％、硅灰石1-3％、尖晶石1-2％、水晶石1-2％和铝镁矿1-2％。

新型陶瓷耐磨复合材料的金相组织为：马氏体+残留A+贝氏体。

新型陶瓷耐磨复合材料的屈服强度为310-370MPa，拉伸强度为440-480MPa，延伸率为8-10％，断面收缩率为10-20％。

新型陶瓷耐磨复合材料的显微硬度为：黑色相的显微硬度为300-520HV，白色相的显微硬度为200-300HV。

新型陶瓷耐磨复合材料的平均摩擦系数为0.14-0.17。

本发明的陶瓷耐磨复合材料还具有以下性能特点：

1)再结晶温度高，组织稳定。

2)硬度、屈服强度和抗拉强度高的同时具有较好韧性。

3)陶瓷耐磨复合材料随温度上升硬度增加，当硬度达到一定值时温度继续上升硬度下降得少。保持高硬性。

4)高温蠕变性能好。急冷急热温度不均状态下不会产生疲劳裂纹。有较好抗热疲劳强度。

5)陶瓷耐磨复合材料料有较高的热传导性。

6)陶瓷耐磨复合材料具有较高耐磨性。抗腐蚀能力。

7)陶瓷耐磨复合材料较低的热膨胀系数。同时具有较低的比重。

其采用上述的方案后，可有效提高零件的强度、硬度及耐磨性等性能；使其使用寿命为其他的2-3倍；可取代Mo、Ni、Ti、Cu、V、W、Re等贵金属；价格低廉，节约成本。可广泛应用于冶金、矿山、农机、煤炭、电力、造船、纺织等磨损严重行业，承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机腭板和铁轨分道叉等。

所述新型陶瓷耐磨复合材料通过将所述原料熔炼后得到。

其中，采用中频电炉或电弧炉熔炼。

其中，所用的钢材可以有多种选择，为了在不影响性能的基础上减低生产成本，在本发明的一种优选的实施方式中，所用的钢材为废钢。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

新型陶瓷耐磨复合材料，以重量份计，以重量份计，原料组成包括：废钢75份、高岭土3份、铝矾土5份、石英砂5份、云母1份、膨润土1份、蓝晶石1份、重晶石1份、方解石1份、石墨1份、莹石1份、长石1份、莫来石1份、SiC1份、沸石1份、铝镁矿1份。按照下述的技术方案进行熔炼和热处理。

实施例2

新型陶瓷耐磨复合材料，以重量份计，原料组成包括：废钢70份、高岭土3份、铝矾土3份、石英砂5份、云母2份、膨润土2份、蓝晶石1份、重晶石1份、方解石1份、莹石2份、长石1份、莫来石2份、SiC1份、沸石1份、硅灰石1份、尖晶石1份、水晶石1份、铝镁矿2份。按照下述的技术方案进行熔炼和热处理。

实施例3

新型陶瓷耐磨复合材料，以重量份计，原料组成包括：废钢75份、高岭土2份、铝矾土3份、石英砂5份、云母1份、蓝晶石1份、重晶石1份、方解石1份、莹石1份、长石1份、莫来石1份、SiC1份、沸石1份、硅灰石3份、尖晶石1份、铝镁矿2份。按照下述的技术方案进行熔炼和热处理。

熔炼和热处理方案

熔炼工艺：1)检查设备。包括中频炉、感应圈通水状况、炉壁、倾炉装置、中频机行车等是否完好，若有问题修复后开机。

2)按需要称量加入炉料，难熔化和不易氧化(烧损)的金属装入坩埚底部，回炉废零件小块废钢加入底部。坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中填塞小块料，炉料应装的紧，以利于透磁和导电。

3)随着金属不断熔化，陆续加废钢。

4)捣料，在加热过程中注意避免“搭棚”现象，经常检查炉料下沉情况，如有“搭棚”需倾斜炉体，迅速解除“搭棚”，以防炉内压力增高引起爆炸。

5)需加入的废钢、合金元素切不可冷、潮直接入炉，以防飞溅伤人，可放在炉边烘烤后入炉熔炼。

6)熔炼过程中尽可能减少钢液直接与空气接触，可用覆盖剂、造渣剂覆盖下熔炼。

7)钢水熔炼达4/5、温度达1480℃时扒出炉渣、脱氧取样送化验室分析化学成分然后立即造新渣。

8)继续加合格的同一牌号的回炉料(浇冒口)。

9)根据化验报告单，补加合金元素。调正成分到合格范围。

10)将钢水进行精炼即将功率提到最高，在熔剂覆盖的状态下精炼3-5分钟，使钢液中的细小夹杂物迅速上浮到炉渣中。

11)快到出钢温度时，当温度达到1600℃时加入Fe-Mn。在此之前对钢水进行预脱氧，预脱氧用Al量为钢水的0.05％左右。出钢前约2分钟加入Fe-Si，待其熔化后，迅速扒去表面熔渣，测温，当温度达到产品要求时取炉后样块出钢。

12)将烘烤至暗红色的浇包放置炉前放入0.03％左右纯铝在包内进行终脱氧。

热处理工艺：

930℃保温50分钟，在盐浴炉中等温淬火，盐浴以50％KNO3+50％NaNO3为介质，温度为260℃，保温时间1min。淬火之后,在经过220℃-240℃回火时,可以有效降低在淬火过程中所产生的马氏体内应力,并有效提高其韧性。而当温度继续升高至260℃时,会导致杂质元素偏聚,从而降低其冲击韧性。所以说在进行回火工艺时回火温度的控制时非常关键的。

陶瓷耐磨复合材料是采用中频电炉或电弧炉熔炼方式，多种组分的陶瓷材料与废旧金属材料进行熔炼，采用加热载体产生的热能，利用热交换、热反应、热延伸的三个必备要件，以高温化合物三个反应过程使原子结构得到有利改变相，产生新的键能使其晶体结构达到重新组合。

熔炼出炉前调整化学成分。在熔炼钢时陶瓷材料在低温下先开始溢出液态，该液态体具有热催化金属材料特性，使废旧金属材料与陶瓷材料达到同步熔化分解结晶，得到第一次初放结晶。初放结晶能有效的控制陶瓷材料与金属材料比重不同而产生悬浮。随着温度的升高，初放结晶再次分解，但仍不具有完整结晶，液态相非常稀薄，定性为第二阶段部分杂质分离期。随温度不断升高，钢水的运动加速，钢水也慢慢出现微结晶状态，定性为第三次结晶。当达到额定温度时，再结晶在很短时间内快速裂变分解，分解出的少量杂质悬浮于钢水的表面，清理杂质后钢水非常纯净，形成均匀相液态体，称为相变分解结晶终结期。液态体冷却后形成完整结构稳定结晶体，该结晶体具有独特的性能，把金属材料高刚度、高强度等优点和陶瓷材料的耐磨、耐蚀、耐温等优异性能有机的结合。产品在高温区保持较高的强度和硬度，不易产生疲劳裂纹，同时对常见的酸、碱、盐等化学物质具有抗腐蚀能力，同时还有较低的摩擦系数。较高的热传导系数。

对比例1

按照相同的熔炼和热处理的步骤制备陶瓷耐磨复合材料，不同的是，以重量份计，所采用的原料组成为：

废钢70份、高岭土3份、铝矾土3份、石英砂5份、云母2份、膨润土2份、蓝晶石1份、重晶石1份、方解石1份、莹石2份、长石1份、莫来石2份、SiC1份。

对比例2

按照相同的熔炼和热处理的步骤制备陶瓷耐磨复合材料，不同的是，以重量份计，所采用的原料组成为：废钢75份、高岭土2份、铝矾土3份、石英砂5份、云母1份、蓝晶石1份、重晶石1份。

检测例

对实施例1中的原料按照上述的工艺所得的陶瓷耐磨复合材料热处理后进行金相实验，结果如图1所示，其金相组织为：马氏体+残留A+贝氏体。

经验证，实施例2、3中的原料在工艺处理后得到的陶瓷耐磨复合材料的金相组织同样为：马氏体+残留A+贝氏体。

而对比例1和对比例2中的金相组织为：

对比例1金相为:铁素体+细珠光体+贝氏体，对比例2金相为:铁素体+珠光体+贝氏体。

由此可见，采用现有配比和热处理工艺可以获得马氏体+残留A+贝氏体组织，可以达到很高强度和硬度。

对实施例1中按照上述工艺所得的陶瓷耐磨复合材料，进行拉伸性能、显微硬度和磨损检测。所得的结果分别如表1、表2所示。

表2

经验证，采用实施例2、实施例3中的原料配比，按照熔炼和热处理的步骤所得的陶瓷耐磨复合材料的性能与实施例1中的接近，在此不再赘述。

而对比例1中得到复合材料的屈服强度为421MPa，拉伸强度为522MPa，延伸率为9.5％，断面收缩率为18％，硬度为42HRC。

对比例2中得到复合材料的屈服强度为363MPa，拉伸强度为447MPa，延伸率为11.5％，断面收缩率为23％，平均摩擦系数为0.21。

不仅如此，常规的耐磨高合金的铸铁或铸钢的性能为：热处理后力学性能为：σb615～1275MPaσs340～470MPaζ15％～85％ψ15％～45％aKl96～294J/cm2 HBl80～225.由此可见，用现有工艺完全可以替代现有耐磨钢。

结合陶瓷材料的特点，本发明的陶瓷耐磨复合材料还具有以下性能特点：

1)再结晶温度高，组织稳定。

2)硬度、屈服强度和抗拉强度高的同时具有较好韧性。

3)陶瓷耐磨复合材料随温度上升硬度增加，当硬度达到一定值时温度继续上升硬度下降得少。保持高硬性。

4)高温蠕变性能好。急冷急热温度不均状态下不会产生疲劳裂纹。有较好抗热疲劳强度。

5)陶瓷耐磨复合材料料有较高的热传导性。

6)陶瓷耐磨复合材料具有较高耐磨性。抗腐蚀能力。

7)陶瓷耐磨复合材料较低的热膨胀系数。同时具有较低的比重。

其采用本发明的技术方案后，所得的复合材料可有效提高零件的强度、硬度及耐磨性等性能；使其使用寿命为其他的2-3倍；可取代Mo、Ni、Ti、Cu、V、W、Re等贵金属；价格低廉，节约成本。可广泛应用于冶金、矿山、农机、煤炭、电力、造船、纺织等磨损严重行业，承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机腭板和铁轨分道叉等。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种新型陶瓷耐磨复合材料，其特征在于，以重量份计，原料组成包括：钢材70-80％、高岭土2-3％、铝矾土3-5％、石英砂3-8％、云母1-3％、膨润土1-2％、蓝晶石1-2％、重晶石1-2％、方解石1-2％、石墨1-2％、莹石1-2％、长石1-2％、莫来石1-2％、SiC0.5-1.5％、沸石1-2％、硅灰石1-3％、尖晶石1-2％、水晶石1-2％和铝镁矿1-2％。

2.根据权利要求1所述的新型陶瓷耐磨复合材料，其中，所述新型陶瓷耐磨复合材料通过将所述原料熔炼后得到。

3.根据权利要求2所述的新型陶瓷耐磨复合材料，其中，采用中频电炉或电弧炉熔炼。

4.根据权利要求1所述的新型陶瓷耐磨复合材料，其中，钢材为废钢。

5.根据权利要求1所述的新型陶瓷耐磨复合材料，其中，新型陶瓷耐磨复合材料的金相组织为：马氏体+残留A+贝氏体。

6.根据权利要求1所述的新型陶瓷耐磨复合材料，其中，新型陶瓷耐磨复合材料的屈服强度为310-370MPa，拉伸强度为440-480MPa，延伸率为8-10％，断面收缩率为10-20％。

7.根据权利要求1所述的新型陶瓷耐磨复合材料，其中，新型陶瓷耐磨复合材料的显微硬度为：黑色相的显微硬度为300-520HV，白色相的显微硬度为200-300HV。

8.根据权利要求1所述的新型陶瓷耐磨复合材料，其中，新型陶瓷耐磨复合材料的平均摩擦系数为0.14-0.17。