CN111020360A - 一种非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，公开了一种具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，首先将高活性的微粉与粘结剂混合均匀，然后将混合物通过物理吸附作用包裹在与钢铁润湿性较差的陶瓷颗粒表面，通过重力铸造的方法制备出陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。本发明制备的复合材料陶瓷颗粒与钢铁基体间存在厚度为5～30μm的界面过渡区，使非浸润的陶瓷颗粒与钢铁基体之间的界面结合类型由机械结合转变为冶金结合，复合材料的界面结合强度高达128Mpa，成本低廉，工艺简单，生产效率高，可显著提高耐磨件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，尤其涉及一种具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术是：陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料由于其兼具陶瓷材料的高硬度、高耐磨性能和金属的高强度、良好塑性及韧性，已成为当前国内外科研及产业化领域关注焦点。与钢铁润湿性较差的陶瓷颗粒(如氧化铝、氧化锆、氧化锆增韧氧化铝、氧化铝强化氧化锆等)具有强度高，耐磨性好和成本低等优点，采用这些颗粒制备的钢铁基复合材料具有优异的磨损性能，是目前耐磨材料领域的研究热点。目前国外相关产品已有工业应用，且进入中国市场并形成垄断。然而，国内外关于非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的相关研究，如颗粒表面镀覆金属以改善润湿性等，陶瓷颗粒与钢铁基体之间的界面结合方式仍均为机械结合，结合强度低，复合材料力学性能较差，导致复合材料在抗磨损服役过程中的可靠性和耐磨性能急剧下降。
上述技术瓶颈亟待突破，提高材料耐磨性能，延长设备使用寿命势在必行。对陶瓷颗粒表面进行预处理以提高其与钢铁熔体之间的润湿性无疑为实现这一目标提供了一条新途径。根据界面润湿理论，固液两相接触时，参与反应的元素先在界面富集吸附，当吸附量超过了元素所在界面的临界浓度时，界面反应发生，反应产物在固/液界面上形核析出。但是，现有非浸润型陶瓷颗粒中的元素在陶瓷颗粒/钢铁熔体的界面处不易富集，是造成润湿性不足的因素之一，从而导致二者间的结合强度不好。
综上所述，现有技术存在的问题是：陶瓷颗粒与钢铁基体之间的界面结合方式仍均为机械结合，结合强度低，复合材料力学性能较差，导致复合材料在抗磨损服役过程中的可靠性和耐磨性能急剧下降。
解决上述技术问题的难度：由于本专利中涉及的陶瓷颗粒与钢铁熔体之间不润湿是陶瓷的本质属性，因此难以采用现有技术方法改善两者之间的润湿性。
现有非浸润型陶瓷颗粒中的元素在陶瓷颗粒/钢铁熔体的界面处不易富集，造成润湿性不足。
解决上述技术问题的意义：在陶瓷颗粒与钢铁基体间生成具有一定宽度的反应型界面过渡区，该界面过渡区与陶瓷颗粒和钢铁基体之间均具有良好的润湿性，从而使组织和性能有良好的过渡，使陶瓷与钢铁基体之间的界面结合方式从机械结合转变为冶金结合，提高界面结合强度，提高材料耐磨性能，延长设备使用寿命。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法。
本发明是这样实现的，一种具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法包括以下步骤：
步骤一，对与钢铁熔体非浸润的陶瓷颗粒进行表面预处理，获得具有“核壳结构”的颗粒；其中，所述表面预处理为：将高活性的微粉与粘结剂混合均匀，然后将混合物按一定比例通过物理吸附作用包裹在陶瓷颗粒表面。
所述的与钢铁熔体非浸润的陶瓷颗粒，包括氧化铝(Al2O3)，氧化锆增韧氧化铝(ZTA)，氧化铝强化氧化锆(ATZ)、氧化锆(ZrO2)中的一种或几种任意比例混合。
所述的高活性的微粉为氧化铝(Al2O3)、碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)、氧化钛(TiO2)中的一种或几种任意比例混合物，粒径为100nm～500nm。
所述的粘结剂为水玻璃、磷酸二氢铝、硅溶胶中的任意一种。
所述高活性的微粉与粘结剂的质量比为0.5～3.5。
所述混合物与陶瓷颗粒的质量比为0.04～0.4。
所述的物理吸附作用可通过机械搅拌、球磨等方法实现。
步骤二，将具有“核壳结构”的陶瓷颗粒放入型腔，熔炼钢铁并浇入其中，即得所述具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料，界面结合形式为冶金结合。
进一步，所述熔炼钢铁的具体步骤如下：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、镍铁、回炉料和电解铜预热至300～400℃，保温2小时以上。
(2)熔炼铁水：将废钢、生铁投入熔炼炉内，升温至1500～1580℃，得到铁水。
(3)加Cr、Mn、Si、Ni、Mn、Cu：在1520～1550℃条件下，向步骤(2)所得铁水中加入铬铁、钼铁、硅铁、镍铁、回炉料、电解铜、增碳剂进行熔炼，得到合金液。
(4)在1500～1520℃条件下，向合金液中加入脱氧剂，反应3～6分钟。
(5)在1550～1580℃条件下，静置3～5分钟，将合金液出炉至浇包中，浇入型腔。
进一步，所述的合金液为高铬铸铁、高锰钢、合金钢中的任意一种。
进一步，所属的增碳剂、脱氧剂均为市售产品。
本发明的另一目的在于提供一种非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料，所述非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料具有反应型界面过渡区，所述的反应型界面过渡区的宽度为5～30μm。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
(1)本发明所述方法制备的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料，在陶瓷颗粒表面包覆了易与钢铁熔体和陶瓷颗粒发生反应的微粉和粘结剂，在高温下反应生成宽度为5～30μm的反应型界面过渡区，将陶瓷颗粒与钢铁之间的界面结合强度由10MPa提高到了128MPa，界面结合形式也由机械结合转变为冶金结合。
(2)反应型界面过渡区可有效的释放应力，解决了因基体与陶瓷颗粒膨胀系数相差太大易出现应力而引起裂纹萌生的问题，使复合材料界面处的组织和性能都有较好的过渡。
(3)本发明制备的复合材料结合强度高，成本低廉，工艺简单，生产效率高，耐磨性得到显著提升，可显著提高耐磨件的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例提供的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的ZTA陶瓷颗粒表面预处理前后的体视显微镜照片。
图3是本发明实施例提供的ZTA陶瓷颗粒表面预处理前后通过重力铸造制备的ZTA/高铬铸铁基复合材料界面处的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
陶瓷颗粒与钢铁基体之间的界面结合方式仍均为机械结合，结合强度低，复合材料力学性能较差，导致复合材料在抗磨损服役过程中的可靠性和耐磨性能急剧下降。
针对现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法。该方法制备的复合材料界面结合强度高，成本低廉，工艺简单，生产效率高，耐磨性得到显著提升。
如图1所示，本发明实施例提供的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法包括以下步骤：
S101：对与钢铁熔体非浸润的陶瓷颗粒进行表面预处理，获得具有核壳结构的颗粒；所述表面预处理为：将高活性的微粉与粘结剂混合均匀，然后将混合物通过物理吸附作用包裹在陶瓷颗粒表面。
S102：将具有核壳结构的陶瓷颗粒放入型腔，熔炼钢铁并浇入型腔中，即得具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步进行描述。
实施例1：
本实施例涉及一种具有反应型界面过渡区的ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合材料及其重力铸造制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将粒径为100nm的Al2O3微粉与粘结剂水玻璃混合均匀，其中Al2O3微粉和水玻璃的质量比为0.5。
步骤2、采用机械搅拌的方式将步骤1所得的混合物均匀包覆在ZTA陶瓷颗粒表面，其中混合物与ZTA陶瓷的质量比为0.3。
步骤3、将表面预处理后的ZTA陶瓷颗粒放入型腔中。
步骤4、熔炼获得Cr26高铬铸铁，具体熔炼步骤为：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、镍铁、回炉料和电解铜预热至300℃，保温3小时。
(2)将废钢、生铁投入熔炼炉内，升温至1580℃，得到铁水。
(3)在1550℃条件下，向(2)所得铁水中加入铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、镍铁、回炉料、电解铜、增碳剂进行熔炼，得到合金液。
(4)在1500℃条件下，向合金液中加入脱氧剂，反应3分钟。
(5)在1580℃条件下，静置5分钟，将合金液出炉至浇包中。
步骤5、将步骤4获得的Cr26高铬铸铁浇入型腔中，即获得具有反应型界面过渡区的ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁复合材料，反应型界面过渡区的宽度为20μm。
如图2所示，为本实施例中所得ZTA陶瓷颗粒表面预处理前后的体视显微镜照片，图2(a)为表面未处理的ZTA颗粒，图2(b)为ZTA颗粒表面附有Al2O3微粉和粘结剂。如图3所示，为本实施例中所得ZTA陶瓷颗粒表面预处理前后制备的ZTA/高铬铸铁基复合材料界面处的SEM照片，图3(a)为原ZTA/高铬铸铁基复合材料界面形貌，图3(b)为采用本发明实施例后制备的ZTA/高铬铸铁基复合材料界面形貌。从图2中可以看出，ZTA陶瓷颗粒表面均匀包覆着Al2O3微粉与水玻璃的混合物。制备的复合材料的反应型界面过渡区宽度为20μm，对其进行界面强度测试，结果表明其强度高达128MPa。
实施例2：
本实施例涉及一种具有反应型界面过渡区的Al2O3、ZTA陶瓷颗粒增强高锰钢基复合材料及其重力铸造制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将粒径为200nm的Al2O3、B4C微粉与粘结剂磷酸二氢铝混合均匀，其中Al2O3和B4C的比例为1:1，两者和磷酸二氢铝的质量比为3.5。
步骤2、采用球磨的方式将步骤1所得的混合物均匀包覆在Al2O3和ZTA陶瓷颗粒表面，其中混合物与陶瓷颗粒的质量比为0.04。
步骤3、将表面预处理后的Al2O3和ZTA陶瓷颗粒放入型腔中。
步骤4、熔炼获得Mn13高锰钢，具体熔炼步骤为：
(1)将废钢、生铁、锰铁、硅铁和回炉料预热至400℃，保温2.5小时。
(2)将废钢、生铁投入熔炼炉内，升温至1500℃，得到铁水。
(3)在1520℃条件下，向(2)所得铁水中加入锰铁、硅铁、回炉料、增碳剂进行熔炼，得到合金液。
(4)在1520℃条件下，向合金液中加入脱氧剂，反应6分钟。
(5)在1550℃条件下，静置3分钟，将合金液出炉至浇包中。
步骤5、将步骤4获得的Mn13高锰钢浇入型腔中，即获得具有反应型界面过渡区的Al2O3、ZTA陶瓷颗粒增强高锰钢基复合材料，反应型界面过渡区的宽度为5μm。
实施例3：
本实施例涉及一种具有反应型界面过渡区的Al2O3、ZTA、ATZ陶瓷颗粒增强合金钢基复合材料及其重力铸造制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将粒径为500nm的Al2O3、B4C、SiC微粉与粘结剂硅溶胶混合均匀，其中Al2O3、B4C、SiC的比例为2:1:1，三者和硅溶胶的质量比为1.0。
步骤2、采用球磨的方式将步骤1所得的混合物均匀包覆在Al2O3、ZTA和ATZ陶瓷颗粒表面，其中混合物与陶瓷颗粒的质量比为0.1。
步骤3、将表面预处理后的Al2O3、ZTA和ATZ陶瓷颗粒放入型腔中。
步骤4、熔炼获得低碳镍铬钼合金钢，具体熔炼步骤为：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、镍铁和回炉料预热至350℃，保温3.5小时。
(2)将废钢、生铁投入熔炼炉内，升温至1550℃，得到铁水。
(3)在1530℃条件下，向(2)所得铁水中加入铬铁、钼铁、镍铁和回炉料进行熔炼，得到合金液。
(4)在1510℃条件下，向合金液中加入脱氧剂，反应5分钟。
(5)在1560℃条件下，静置4分钟，将合金液出炉至浇包中。
步骤5、将步骤4获得的低碳镍铬钼合金钢浇入型腔中，即获得具有反应型界面过渡区的Al2O3、ZTA、ATZ陶瓷颗粒增强合金钢基复合材料，反应型界面过渡区的宽度为30μm。
实施例4：
本实施例涉及一种具有反应型界面过渡区的Al2O3、ZTA、ATZ、ZrO2陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合材料及其重力铸造制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将粒径为300nm的Al2O3、B4C、SiC、TiO2微粉与粘结剂水玻璃混合均匀，Al2O3、B4C、SiC、TiO2的比例为1:2:1:1，四者和水玻璃的质量比为2.0。
步骤2、采用机械搅拌的方式将步骤1所得的混合物均匀包覆在Al2O3、ZTA、ATZ、ZrO2陶瓷颗粒表面，其中混合物与ZTA陶瓷的质量比为0.4。
步骤3、将表面预处理后的Al2O3、ZTA、ATZ、ZrO2陶瓷颗粒放入型腔中。
步骤4、熔炼获得Cr20高铬铸铁，具体熔炼步骤为：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、镍铁、回炉料和电解铜预热至300℃，保温3小时。
(2)将废钢、生铁投入熔炼炉内，升温至1580℃，得到铁水。
(3)在1550℃条件下，向(2)所得铁水中加入铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、镍铁、回炉料、电解铜、增碳剂进行熔炼，得到合金液。
(4)在1520℃条件下，向合金液中加入脱氧剂，反应4分钟。
(5)在1570℃条件下，静置5分钟，将合金液出炉至浇包中。
步骤5、将步骤4获得的Cr20高铬铸铁浇入型腔中，即获得具有反应型界面过渡区的Al2O3、ZTA、ATZ、ZrO2陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合材料，反应型界面过渡区的宽度为10μm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，其特征在于，所述具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法包括以下步骤：
步骤一，对与钢铁熔体非浸润的陶瓷颗粒进行表面预处理，获得具有核壳结构的颗粒；
步骤二，将具有核壳结构的陶瓷颗粒放入型腔，熔炼钢铁并浇入型腔中，即得具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。
2.如权利要求1所述的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，其特征在于，步骤一中，所述表面预处理为：将高活性的微粉与粘结剂混合均匀，然后将混合物通过物理吸附作用包裹在陶瓷颗粒表面；
所述的与钢铁熔体非浸润的陶瓷颗粒包括氧化铝、氧化锆增韧氧化铝、氧化铝强化氧化锆、氧化锆中的一种或几种任意比例混合；所述的高活性的微粉为氧化铝、碳化硼、碳化硅、氧化钛中的一种或几种任意比例混合物。
3.如权利要求1所述的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，其特征在于，所述的粘结剂为水玻璃、磷酸二氢铝、硅溶胶中的任意一种。
4.如权利要求1所述的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，其特征在于，步骤二中，所述熔炼钢铁的具体步骤如下：
(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、镍铁、回炉料和电解铜预热至300～400℃，保温2小时以上；
(2)熔炼铁水：将废钢、生铁投入熔炼炉内，升温至1500～1580℃，得到铁水；
(3)加Cr、Mn、Si、Ni、Mn、Cu：在1520～1550℃条件下，向步骤(2)所得铁水中加入铬铁、钼铁、硅铁、镍铁、回炉料、电解铜、增碳剂进行熔炼，得到合金液；
(4)在1500～1520℃条件下，向合金液中加入脱氧剂，反应3～6分钟；
(5)在1550～1580℃条件下，静置3～5分钟，将合金液出炉至浇包中，浇入型腔。
5.如权利要求1所述的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，其特征在于，在表面预处理中，所述高活性的微粉与粘结剂的质量比为0.5～3.5。
6.如权利要求1所述的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，其特征在于，在表面预处理中，所述混合物与陶瓷颗粒的质量比为0.04～0.4。
7.如权利要求1所述的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，其特征在于，在表面预处理中，所述的物理吸附作用通过机械搅拌、球磨方法实现。
8.如权利要求4所述的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，其特征在于，所述的合金液为高铬铸铁、高锰钢、合金钢中的任意一种。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法制备的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。
10.如权利要求9所述的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料，其特征在于，所述非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料具有反应型界面过渡区，所述的反应型界面过渡区的宽度为5～30μm。
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