CN110744266A

CN110744266A - 一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法

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Publication number: CN110744266A
Application number: CN201910974072.9A
Authority: CN
Inventors: 王芙愿; 梁淑华; 邹军涛; 宋大拙
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-02-04

Abstract

本发明公开了一种制备高铬铸铁‑低碳钢层状双金属材料的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、选择高铬铸铁和低碳钢作为基材，铜或铜合金作为中间层；步骤2、对高铬铸铁、低碳钢以及铜或铜合金进行预处理；步骤3、将经过预处理的高铬铸铁、铜或铜合金、低碳钢依次叠层放置于通有保护气体的炉中加热，并施加压力，冷却后出炉得到层状复合材料；步骤4、将步骤3制备得到的层状复合材料放置在热处理炉中进行加热，出炉冷却，清除材料表面氧化层即可得到高铬铸铁‑低碳钢层状双金属材料。通过本发明的方法制备的高铬铸铁‑低碳钢层状双金属材料在实现高铬铸铁和低碳钢高强度连接的同时，优化高铬铸铁的硬度和耐磨性，保证低碳钢的韧性的优点。

Description

一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法

技术领域

本发明属于异质层状双金属材料连接技术领域，涉及一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法。

背景技术

煤矿、铁矿、采石场、公路基建及其它恶劣的施工环境需要对物料进行破碎、磨碎等，由此引起的能源和金属材料消耗造成的经济损失巨大。为降低部件材料的磨损，就要求部件材料具备高硬度，高耐磨，能够实现对矿石物料的破碎。同时要求部件材料具备高韧性，能够抵抗住物料在加工过程中的冲击。高铬铸铁作为一种优异的耐磨材料，硬度高达>HRC63，但是高铬铸铁韧性较差，冲击功仅为20J/cm²，极大地限制了高铬铸铁在强冲击和高应力情况下的应用。如何在不改变高铬铸铁硬度和耐磨性的前提下改善其韧性一直是工业中亟待解决的技术难题。

为了弥补高铬铸铁韧性不足的缺点，同时考虑材料成本，可以将韧性好，耐冲击的低碳钢与高铬铸铁进行复合，制备得到双金属复合材料，在发挥高铬铸铁耐磨性优势的同时，兼备低碳钢的高韧性，这样的复合材料能够极大地延长部件使用寿命，取得良好的经济效益。但是由于高铬铸铁和低碳钢的物理化学性质差异较大，要将两种材料复合起来存在很大困难，传统的爆炸焊、钎焊、以及机械连接都不能很好地解决界面连接强度的问题，严重制约着高铬铸铁-低碳钢双金属材料的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，具有在实现高铬铸铁和低碳钢高强度连接的同时，优化高铬铸铁的硬度和耐磨性，保证低碳钢韧性的优点。

本发明所采用的技术方案是，一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、选择高铬铸铁和低碳钢作为基材，铜或铜合金作为中间层；

步骤2、对高铬铸铁、低碳钢以及铜或铜合金进行预处理；

步骤3、将经过预处理的高铬铸铁、铜或铜合金、低碳钢依次叠层放并置于通有保护气体的炉中，加压并且加热，待冷却后出炉得到层状复合材料；

步骤4、将步骤3制备得到的层状复合材料放置在热处理炉中进行加热，出炉冷却，清除材料表面氧化层即可得到高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料。

本发明的特点还在于：

步骤1高铬铸铁板材以及低碳钢板材的尺寸均为厚度2～50mm，宽度为100mm～500mm，长度为100～2000mm，中间层铜或铜合金的厚度为0.1～1mm。

高铬铸铁按照质量百分比由以下成分组成：C 2.0％～3.3％，Mn 0％～2.0％，Si0％～1.5％，Ni 0％～2.5％，Cr 10.0％～35.0％，Mo 0％～3.0％，Cu 0％～1.2％，P 0％～0.1％，S 0％～0.06％，余量为Fe，低碳钢按照质量百分比由以下成分组成：C 0.01％～0.30％，余量为Fe，中间层按照质量百分比由以下成分组成：Cu90％～99.9％，Cr0％～0.10％，其余为杂质。

步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、对高铬铸铁、低碳钢表面进行磨削和打磨，去除表面氧化物和杂质，同时保证两种板材表面平整度，之后用酒精清洗表面；

步骤2.2、对中间层用砂纸进行打磨，之后用4～5％硝酸酒精溶液擦拭，去除表面氧化膜。

步骤3中加热温度为1000～1200℃，保温时间为0.5～2h，在保温阶段施加压力为0～10MPa，待炉温冷却到不高于200℃出炉。

步骤4加热温度为800～1000℃，保温时间为0.5～2h。

步骤3中的保护气体为真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气或氨气分解得到保护气氛中的任意一种。

步骤4中热处理炉中通有空气、真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气或氨气分解得到保护气氛中的任意一种。

本发明的有益效果是：

(1)本发明高铬铸铁-低碳钢双金属材料生产工艺中，将高耐磨、高硬度的高铬铸铁和韧性好，耐冲击的低碳钢复合在一起，实现了材料高硬度和高韧性相互协调，有着广阔的应用前景；

(2)本发明以铜及铜合金为中间层，在高温和压力作用下通过铜与铁之间的相互扩散，在结合面处形成冶金结合，强度可到300MPa以上；

(3)本发明通过后续的800～1000℃淬火处理，在不降低界面结合强度的基础上，改善了高铬铸铁的耐磨性和低碳钢的韧性；

(4)本发明获得界面结合强度高，可以实现大尺寸层状高铬铸铁和低碳钢板材的复合，获得高耐磨和高韧性的材料，生产工艺简单，生产效率高，成本适中，适用于批量生产，在采矿，采煤，电力冶金等行业有巨大的应用潜力。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、选择高铬铸铁和低碳钢作为基材，铜作为中间层：

高铬铸铁板材以及低碳钢板材的尺寸均为厚度2～50mm，宽度为100mm～500mm，长度为100～2000mm，中间层铜或铜合金的厚度为0.1～1mm；

高铬铸铁按照质量百分比由以下成分组成：C 2.0％～3.3％，Mn 0％～2.0％，Si0％～1.5％，Ni 0％～2.5％，Cr 10.0％～35.0％，Mo 0％～3.0％，Cu 0％～1.2％，P 0％～0.1％，S 0％～0.06％，余量为Fe，低碳钢按照质量百分比由以下成分组成：C 0.01％～0.30％，余量为Fe，中间层按照质量百分比由以下成分组成：Cu90％～99.9％，Cr0％～0.10％，其余为杂质；

步骤2、对高铬铸铁、低碳钢以及铜进行预处理：

步骤2.2、对中间层用砂纸进行打磨，之后用4～5％硝酸酒精溶液擦拭，去除表面氧化膜；

步骤3、将经过预处理的高铬铸铁、铜或铜合金、低碳钢依次叠层放置于通有真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气或氨气分解得到保护气氛中的任意一种气体的炉中加热，加热温度为1000～1200℃，保温时间为0.5～2h，在保温阶段施加压力为0～10MPa，待炉温冷却到不高于200℃出炉，得到层状复合材料，其中中间层铜或铜合金与高铬铸铁和低碳钢的界面冶金结合面积是总结合面面积的80％～100％；

步骤4、将步骤3制备得到的层状复合材料放置在热处理炉中进行加热，热处理炉中通有空气、真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气或氨气分解得到保护气氛中的任意一种，加热温度为800～1000℃，保温时间为0.5～2h，出炉冷却，再清除材料表面氧化层即可得到高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料。

在本发明一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法中：步骤3通过将高铬铸铁、铜或铜合金、低碳钢依次叠层放置于通有保护气体的炉中加热，在高温和压力作用下通过铜或铜合金与铁之间的相互扩散，在结合面处形成冶金结合，提高了材料的高硬度性能，通过步骤4的淬火处理，在不降低界面结合强度的基础上，改善了高铬铸铁的耐磨性和低碳钢的韧性。

实施例1

步骤1、选择高铬铸铁和低碳钢作为基材，铜作为中间层：

高铬铸铁板材和低碳钢，尺寸均为：100mm×100mm×2mm，取T2铜作为中间层，厚度为0.1mm；

高铬铸铁按照质量百分比由以下成分组成：C 2.0％，Cr 10.0％，余量为Fe，低碳钢按照质量百分比由以下成分组成：C 0.01％，余量为Fe，中间层为含量99.9％的Cu，其余为杂质；

步骤2、对高铬铸铁、低碳钢以及铜进行预处理：

步骤2.1、对高铬铸铁、低碳钢表面进行磨削和打磨，去除表面氧化物和杂质，同时保证两种板材表面平整度，之后用600#砂纸进行打磨，并用酒精擦拭结合面，保证结合面的清洁；

步骤2.2、对中间层铜用砂纸进行打磨，之后用5％硝酸酒精溶液擦拭，去除表面氧化膜；

步骤3、将经过预处理的高铬铸铁、铜、低碳钢依次叠层放置于通有真空保护气氛中的炉中加热，加热温度为1000℃，保温时间为0.5h，待炉温冷却到不高于200℃出炉，得到层状复合材料，其中中间层铜与高铬铸铁和低碳钢的界面冶金结合面积是总结合面面积的80％；

步骤4、将步骤3制备得到的层状复合材料放置在热处理炉中进行加热，热处理炉中通有真空保护气，加热温度为800℃，保温时间为0.5h，出炉冷却，再清除材料表面氧化层即可得到高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料。

实施例2

步骤1、选择高铬铸铁和低碳钢作为基材，铜作为中间层：

高铬铸铁板材和低碳钢，尺寸均为：1000mm×300mm×25mm，取T2铜作为中间层，厚度为0.5mm；

高铬铸铁按照质量百分比由以下成分组成：C 2.7％，Mn 1.0％，Si 0.7％，Ni1.5％，Cr 20.0％，余量为Fe，低碳钢按照质量百分比由以下成分组成：C 0.15％，余量为Fe，中间层为96％的Cu及Cr 0.05％，其余为杂质；

步骤2、对高铬铸铁、低碳钢以及铜进行预处理：

步骤2.2、对中间层铜用砂纸进行打磨，之后用4.5％硝酸酒精溶液擦拭，去除表面氧化膜；

步骤3、将经过预处理的高铬铸铁、铜、低碳钢依次叠层放置于通有真空保护气氛中的炉中加热，加热温度为1100℃，保温时间为1.5h，在保温阶段施加压力5MPa，待炉温冷却到不高于200℃出炉，得到层状复合材料，其中中间层铜与高铬铸铁和低碳钢的界面冶金结合面积是总结合面面积的90％；

步骤4、将步骤3制备得到的层状复合材料放置在热处理炉中进行加热，热处理炉中通有真空保护气，加热温度为900℃，保温时间为1.5h，出炉冷却，再清除材料表面氧化层即可得到高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料。

实施例3

步骤1、选择高铬铸铁和低碳钢作为基材，铜作为中间层：

高铬铸铁板材和低碳钢，尺寸均为：2000mm×500mm×50mm，取铜铬合金作为中间层，厚度为1mm；

高铬铸铁按照质量百分比由以下成分组成：C 3.3％，Mn 2.0％，Si 1.5％，Ni2.5％，Cr 35.0％，余量为Fe，低碳钢按照质量百分比由以下成分组成：C0.3％，余量为Fe，中间层为90％的Cu以及0.1％的Cr，其余为杂质；

步骤2、对高铬铸铁、低碳钢以及铜进行预处理：

步骤2.2、对中间层铜用砂纸进行打磨，之后用4％硝酸酒精溶液擦拭，去除表面氧化膜；

步骤3、将经过预处理的高铬铸铁、铜、低碳钢依次叠层放置于通有真空保护气氛中的炉中加热，加热温度为1200℃，保温时间为2h，保温阶段施加10MPa压力，待炉温冷却到不高于200℃出炉，得到层状复合材料，其中中间层铜与高铬铸铁和低碳钢的界面冶金结合面积是总结合面面积的100％；

步骤4、将步骤3制备得到的层状复合材料放置在热处理炉中进行加热，热处理炉中通有真空保护气，加热温度为1000℃，保温时间为2h，出炉冷却，再清除材料表面氧化层即可得到高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料。

通过本发明实施例方法获得的层状双金属材料界面结合强度与高铬铸铁硬度与现有方法获得的双金属材料界面结合强度与高铬铸铁硬度数据对比如下表所示：

通过上表可以看出，通过本发明方法获得的高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料不仅具有高的界面结合强度，同时高铬铸铁硬度也有提高。

Claims

1.一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤2、对高铬铸铁、低碳钢以及铜或铜合金进行预处理；

2.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，其特征在于，所述步骤1高铬铸铁板材以及低碳钢板材的尺寸均为厚度2～50mm，宽度为100mm～500mm，长度为100～2000mm，中间层铜或铜合金的厚度为0.1～1mm。

3.根据权利要求2所述的一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，其特征在于，所述高铬铸铁按照质量百分比由以下成分组成：C 2.0％～3.3％，Mn 0％～2.0％，Si0％～1.5％，Ni 0％～2.5％，Cr 10.0％～35.0％，Mo 0％～3.0％，Cu 0％～1.2％，P 0％～0.1％，S 0％～0.06％，余量为Fe，所述低碳钢按照质量百分比由以下成分组成：C0.01％～0.30％，余量为Fe，所述中间层按照质量百分比由以下成分组成：Cu 90％～99.9％，Cr 0％～0.10％，其余为杂质。

4.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，其特征在于，所述步骤3中加热温度为1000～1200℃，压力为0～10MPa，保温时间为0.5～2h，在保温阶段施加压力为0～10MPa，待炉温冷却到不高于200℃出炉。

6.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，其特征在于，所述步骤4加热温度为800～1000℃，保温时间为0.5～2h。

7.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，其特征在于，所述步骤3中的保护气体为真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气或氨气分解得到保护气氛中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的一种制备高铬铸铁-低碳钢层状双金属材料的方法，其特征在于，所述步骤4中热处理炉中通有空气、真空、纯氢气、纯氩气、纯氮气或氨气分解得到保护气氛中的任意一种。