CN110653375B

CN110653375B - 一种层状复合材料及其制备方法与应用

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Publication number: CN110653375B
Application number: CN201810700931.0A
Authority: CN
Inventors: 曾琪; 边历峰; 任昕; 张辉
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: CN110653375A

Abstract

本发明公开了一种层状复合材料，包括合金层和镍铜合金层，所述合金层和所述镍铜合金层通过压制和烧结工艺冶金结合，所述合金层背离所述镍铜合金层的一侧表面通过渗硼工艺形成渗硼层。本发明还公开了如上所述的层状复合材料的制备方法及其在锅具中的应用。本发明提供的层状复合材料解决了现有复合材料中存在的抗氧性差、脆性大、硬度不高、结合力差等问题。

Description

一种层状复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种层状复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

目前制造锅具产品的金属板材多为单一材料或对单一材料进行表面处理、物理压制等方式来形成。比如高铬铸铁磨球单一材料、高铬铸铁与低碳钢冶金烧结、碳钢表面渗碳、渗氮、渗硼、金属表面涂层，金属表面热喷涂、两种层状材料压合等等。

但是通过这些技术来形成的金属板材，无法满足特殊场合的要求，比如需要导热性、壁厚度、强度、韧性、抗氧化性同时具备时，上述技术中存在着很大局限性。比如碳钢抗氧化性差，高铬铸铁脆性大，渗碳渗氮硬度不高，热喷涂件表面粗糙且表面涂层属于物理结合，所以结合力差，涂层容易脱落等。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种层状复合材料及其制备方法与应用，以解决现有复合材料中存在的抗氧性差、脆性大、硬度不高、结合力差等问题。

为了达到上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种层状复合材料，其特征在于，包括合金钢层和镍铜合金层，所述合金钢层和所述镍铜合金层通过压制和烧结工艺冶金结合，所述合金钢层背离所述镍铜合金层的一侧表面通过渗硼工艺形成渗硼钢层。

优选地，所述合金钢层的材料为铬钼合金粉料和镍铜合金粉料的混合粉料，其中添加有硬脂酸锌；所述镍铜合金层的材料为镍铜合金粉料，其中添加有硬脂酸锌。

优选地，所述合金钢层的材料中，所述硬脂酸锌的重量百分比为0.3%~0.5%，所述铬钼合金粉料和所述镍铜合金粉料的混合的重量比为4:1~6:1；所述镍铜合金层的材料中，所述硬脂酸锌的重量百分比为0.3%~0.5%。

优选地，所述合金钢层的厚度为2~2.5mm，所述镍铜合金层的厚度为1~1.5mm，所述渗硼钢层的厚度为0.05~0.1mm。

优选地，所述合金钢层背离所述镍铜合金层的一侧表面设置有若干沟槽结构，所述沟槽结构的深度为0.25~0.35mm，宽度为0.25~0.35mm。

优选地，任意两个所述沟槽结构之间的间距为1~1.5mm。

本发明还提供了一种如上所述的层状复合材料的制备方法，包括：

在镍铜合金粉料中添加预定重量百分比的硬脂酸锌，混合形成第一混合粉料；

在铬钼合金粉料中添加预定重量比例的镍铜合金粉料和预定重量百分比的硬脂酸锌，混合形成第二混合粉料；

将所述第一混合粉料装入模具的下层并刮平，将所述第二混合粉料装入模具的上层并刮平；

将所述模具放置于压力机中进行压制，制备获得包括第一混合粉料层和第二混合粉料层的坯体；

对所述坯体进行烧结，使所述第一混合粉料层和第二混合粉料层分别对应形成为相互冶金结合的镍铜合金层和合金钢层；

在所述合金钢层背离镍铜合金层的一侧通过渗硼工艺制备形成渗硼钢层。

优选地，制备所述坯体时施加的压力值为140~160MPa，烧结所述坯体的烧结温度为1280~1300℃。

优选地，制备形成所述渗硼钢层之前包括：

在所述合金钢层背离所述镍铜合金层的一侧表面上通过切削加工制备形成若干沟槽结构。

本发明的另一方面是提供一种如上所述的层状复合材料在锅具中的应用，将所述层状复合材料用于作为所述锅具的内壁材料。

与现有技术相比，本发明提供的层状复合材料具备了镍铜合金的高强度和韧性，铬钼合金的硬度和导热性，而且还具备了渗硼结构的表面硬度和低摩擦系数。由此解决了现有复合材料中存在的抗氧性差、脆性大、硬度不高、结合力差等问题，满足了市场的各项要求。

附图说明

图1为本发明提供的层状复合材料的结构示意图；

图2为本发明提供的层状复合材料的制备流程图；

图3为本发明提供的层状复合材料的应用示意图；

图4为本发明提供的层状复合材料的另一种应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本实施例首先提供了一种层状复合材料，如图1所示，该材料包括合金钢层1和镍铜合金层2。所述合金钢层1和镍铜合金层2通过压制和烧结工艺冶金结合，冶金结合是指两件金属的界面间原子相互扩散而形成的结合。因此，所述合金钢层1和镍铜合金层2之间的结合力很牢固，不易分离。

所述合金钢层1的材料为铬钼合金粉料和镍铜合金粉料的混合粉料，其中添加有硬脂酸锌作为热稳定剂，所述合金钢层1的厚度为2~2.5mm。所述镍铜合金层2的材料为镍铜合金粉料，其中同样添加有硬脂酸锌作为热稳定剂，所述镍铜合金层2的厚度为1~1.5mm。

所述层状复合材料还包括渗硼钢层1a。所述渗硼钢层1a通过表面渗硼工艺形成在所述合金钢层1背离所述镍铜合金层2的一侧表面。其中，所述渗硼钢层1a的维氏硬度大于HV1300，摩擦系数不大于0.19，所述渗硼钢层1a的厚度为0.05~0.1mm。

进一步地，本发明的层状复合材料中，所述合金钢层1背离所述镍铜合金层2的一侧表面上设置有若干沟槽结构1b，所述沟槽结构1b的深度为0.25~0.35mm，宽度为0.25~0.35mm。所述沟槽结构1b用于减少本发明的层状复合材料与其他物体之间的摩擦力。

本发明的层状复合材料具备了镍铜合金的高强度和韧性，铬钼合金的硬度和导热性，而且还具备了渗硼结构的表面硬度和低摩擦系数，由此满足了市场的各项要求。

本实施例还提供了如上所述的层状复合材料的制备方法，如图2所示，该方法包括步骤：

S1、在镍铜合金粉料中添加预定重量百分比的硬脂酸锌，混合形成第一混合粉料。具体地，所述硬脂酸锌的重量百分比为0.3%~0.5%。

S2、在铬钼合金粉料中添加预定重量比例的镍铜合金粉料和预定重量百分比的硬脂酸锌，混合形成第二混合粉料。具体地，所述铬钼合金粉料和所述镍铜合金粉料的混合的重量比为4:1~6:1，所述硬脂酸锌的重量百分比为0.3%~0.5%。

S3、将所述第一混合粉料装入模具的下层并刮平，将所述第二混合粉料装入模具的上层并刮平。

S4、将所述模具放置于压力机中进行压制，制备获得包括第一混合粉料层和第二混合粉料层的坯体。具体地，制备所述坯体时施加的压力值为140~160MPa。

S5、对所述坯体进行烧结，使所述第一混合粉料层和第二混合粉料层分别对应形成为相互冶金结合的镍铜合金层2和合金钢层1。具体地，烧结环境为真空环境（或惰性气体保护），烧结温度为1280~1300℃。

S6、在所述合金钢层1背离镍铜合金层2的一侧通过渗硼工艺制备形成渗硼钢层1a。具体地，将上述烧结体装入渗箱中，添加渗硼剂之后关闭箱门，进行渗硼处理。其中，渗硼温度为950~970℃，保温4~4.5h，渗硼厚度为0.05~0.1mm。

进一步地，如上所述的层状复合材料的制备方法中制备形成所述渗硼钢层1a之前还可包括步骤：

S5a、在所述合金钢层1背离所述镍铜合金层2的一侧表面上，采用陶瓷车刀进行切削加工制备形成若干沟槽结构1b。具体地，所述沟槽结构1b的宽度为0.25~0.35mm，深度为0.25~0.35mm。其中，任意两个所述沟槽结构1b之间的间距为1~1.5mm。

如上所述的层状复合材料的制备方法中：

所述铬钼合金粉料为市售的铬钼合金粉料，其化学成分为：碳0.32-0.45%、硅0.8-1.2%、锰0.2-0.5%、铬4.74-5.50%、钼1.10-1.75%、钒0.8-1.2%、余铁。粉料颗粒粗细度为149μm。

所述镍铜合金粉料为市售的镍铜合金粉料，其化学成分为：镍63%、铜28-31%、铁2.5%、锰2.0%、碳0.3%、硅0.5%、磷0.03%、硫0.024%、余微量杂质。粉料颗粒粗细度为48μm。

本发明还公开了如上所述的层状复合材料在锅具中的应用，将所述层状复合材料用于作为所述锅具的内壁材料。

作为本发明的一种应用示例，如图3所示，本示例公开了一种煎锅，包括锅底部3和不锈钢外壳4。其中，所示锅底部3由本发明的层状复合材料构成。结合图1、图3所示，所述层状复合材料的所述渗硼钢层1a作为煎锅的承载面3a。实际使用时，所述锅底部3受热之后所述沟槽结构1b中的油水会蒸发，该蒸汽起到隔离所述承载面3a与食物的作用，而且所述沟槽结构1b减少了所述承载面3a与食物之间的摩擦力和接触面积，使煎锅具有了不粘锅的功能。

作为本发明的另一种应用示例，如图4所示，本发明的层状复合材料可应用于电饭煲锅内胆。其中，所述渗硼钢层1a作为锅内胆的内壁，所述镍铜合金层2作为锅内胆的外壁。所述渗硼钢层1a具有抗氧化作用，而且特有的高度硬度避免了表面划伤，较低的摩擦系数克服了食物粘锅的问题。所述镍铜合金层2提供了足够的强度保证电饭煲锅内胆的长期使用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种层状复合材料，其特征在于，包括合金钢层（1）和镍铜合金层（2），所述合金钢层（1）和所述镍铜合金层（2）通过压制和烧结工艺冶金结合，所述合金钢层（1）背离所述镍铜合金层（2）的一侧表面通过渗硼工艺形成渗硼钢层（1a）；

其中，所述合金钢层（1）的材料为铬钼合金粉料和镍铜合金粉料的混合粉料，其中添加有硬脂酸锌；所述镍铜合金层（2）的材料为镍铜合金粉料，其中添加有硬脂酸锌；

其中，所述铬钼合金粉料的化学成分为：碳0.32-0.45%、硅0.8-1.2%、锰0.2-0.5%、铬4.74-5.50%、钼1.10-1.75%、钒0.8-1.2%、余铁。

2.根据权利要求1所述的层状复合材料，其特征在于，所述合金钢层（1）的材料中，所述硬脂酸锌的重量百分比为0.3%~0.5%，所述铬钼合金粉料和所述镍铜合金粉料的混合的重量比为4:1~6:1；所述镍铜合金层（2）的材料中，所述硬脂酸锌的重量百分比为0.3%~0.5%。

3.根据权利要求1或2所述的层状复合材料，其特征在于，所述合金钢层（1）的厚度为2~2.5mm，所述镍铜合金层（2）的厚度为1~1.5mm，所述渗硼钢层（1a）的厚度为0.05~0.1mm。

4.根据权利要求3所述的层状复合材料，其特征在于，所述合金钢层（1）背离所述镍铜合金层（2）的一侧表面设置有若干沟槽结构（1b），所述沟槽结构（1b）的深度为0.25~0.35mm，宽度为0.25~0.35mm。

5.根据权利要求4所述的层状复合材料，其特征在于，任意两个所述沟槽结构（1b）之间的间距为1~1.5mm。

6.一种如权利要求1-5任一所述的层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

对所述坯体进行烧结，使所述第一混合粉料层和第二混合粉料层分别对应形成为相互冶金结合的镍铜合金层（2）和合金钢层（1）；

在所述合金钢层（1）背离镍铜合金层（2）的一侧通过渗硼工艺制备形成渗硼钢层（1a）。

7.根据权利要求6所述的层状复合材料的制备方法，其特征在于，制备所述坯体时施加的压力值为140~160MPa，烧结所述坯体的烧结温度为1280~1300℃。

8.根据权利要求6所述的层状复合材料的制备方法，其特征在于，制备形成所述渗硼钢层（1a）之前包括：

在所述合金钢层（1）背离所述镍铜合金层（2）的一侧表面上通过切削加工制备形成若干沟槽结构（1b）。

9.一种如权利要求1-5任一所述的层状复合材料在锅具中的应用，将所述层状复合材料用于作为所述锅具的内壁材料。