CN111254307A - 一种金属陶瓷复合耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

一种金属陶瓷复合耐磨材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属陶瓷复合耐磨材料及其制备方法，所述方法包括如下步骤：将粘结剂、碳化硅陶瓷粉末以及由高碳铬铁金属粉末、钼钨稀土合金粉、铁粉和碳粉组成的混合粉末球磨3小时以上，得到混合料；向所得混合料中加水，湿磨5小时以上，得到浆料；将所得浆料进行喷雾造粒，得到粒状料；将所得粒状料与氧化铝陶瓷颗粒混合，得到混合物；再向混合物中加入粘结剂混合均匀后压实成型，得到预制件；将所得预制件在氨气气氛下，烧结处理，得到半成品；将所得半成品在900～950℃下淬火，然后在200～250℃下回火，得到金属陶瓷复合耐磨材料。本发明提供的金属陶瓷复合耐磨材料中陶瓷颗粒分散均匀，耐磨性有很大提高。

Description

一种金属陶瓷复合耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料领域，特别涉及一种金属陶瓷复合耐磨材料及其制备方法。
背景技术
磨损是零部件失效的一种基本类型。通常意义上来讲，磨损是指零部件几何尺寸(体积)变小，零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。失效包括完全丧失原定功能、功能降低以及有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性和安全性。磨损普遍存在于冶金、矿山、火电、机械、水泥等诸多行业，造成了原材料的极大浪费和能源的巨大消耗，同时还产生了较大的安全隐患。
如何使材料具有良好韧性的同时具有较高的耐磨性呢？有人提出将金属和陶瓷制成复合材料，金属陶瓷复合材料是使陶瓷的高耐磨性、高硬度的特点和金属材料的韧性相结合形成的一种新型复合材料。
目前制备金属陶瓷材料的方法通常是采用较高耐磨性与较好韧性的双金属进行复合铸造，采用离心浇铸的方法，制备出一种既耐磨又抗断裂的复合材料，但是该方法金属液浇铸过程中存在渗透不均，陶瓷颗粒的分布不均匀，耐磨性不高等缺点。
发明内容
本发明提供了一种金属陶瓷复合耐磨材料及其制备方法，使陶瓷颗粒在复合耐磨材料中分散更加均匀，提高了材料的耐磨性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种金属陶瓷复合耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，将1～2份粘结剂、15～50份碳化硅陶瓷粉末以及50～70份由高碳铬铁金属粉末、钼钨稀土合金粉、铁粉和碳粉组成的混合粉末在球磨机中球磨3小时以上，得到混合料；
(2)向步骤(1)所得混合料中加入质量百分数为10～15％的水，湿磨5小时以上，得到浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，得到粒状料；
(4)将步骤(3)所得粒状料与氧化铝陶瓷颗粒按照体积比为1～2:2的比例混合，得到混合物；再向混合物中加入质量百分数为5～8％的粘结剂混合均匀，然后压实成型，得到预制件；
(5)将步骤(4)所得预制件在氨气气氛下，于1000℃～1150℃烧结60～90min，得到半成品；
(6)将步骤(5)所得半成品在900～950℃下淬火，然后在200～250℃下回火，得到金属陶瓷复合耐磨材料。
优选地，步骤(1)中碳化硅陶瓷粉末粒径为5～20μm。
优选地，步骤(1)中混合粉末的粒径为80～120μm。
优选地，步骤(1)中混合粉末中高碳铬铁金属粉末的质量分数为15～25％，铁粉的质量分数为70～80％，钼钨稀土合金粉的质量分数为1～3％，碳粉的质量分数为1～3％。
优选地，步骤(3)中喷雾造粒中干燥塔进口温度为100～120℃，出口温度为60～70℃。
优选地，步骤(3)中粒状料的粒径为50～100μm。
优选地，步骤(4)中氧化铝陶瓷颗粒的粒径为50～150μm。
优选地，步骤(4)中压实成型具体为在压力机上用300～400MPa的压力压实。
优选地，所述粘结剂为硅酸钠、酚醛树脂或聚乙烯醇。
本发明还提供一种由上述任意一项方法制备而成的金属陶瓷复合耐磨材料。
上述方案有如下的有益效果：
本发明提供的金属陶瓷复合耐磨材料将陶瓷颗粒的耐磨性和金属材料的机械性能完美的结合，提高了传统金属材料的硬度和耐磨性，实施例中所得符合耐磨材料硬度大于95.1HRA；断裂韧性大于11.8MPa·m1/2；在室温下干摩擦的摩擦系数为不大于0.17。
本发明提供的制备方法通过将碳化硅陶瓷粉末与金属、合金粉末以及粘结剂制成混合料，再加水湿磨后进行喷雾造粒得到粒状料，喷雾造粒得到的粒状料粒径为50～100μm之间，颗粒较均匀；粒状料与氧化铝陶瓷颗粒以及粘结剂混合、压实成型后得到预制件，粒状料填充在陶瓷颗粒间隙，陶瓷颗粒分散更加均匀；预制件烧结过程中体积收缩较小，成品中金属和陶瓷分布均匀，产品质量非常稳定，使用寿命长。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
一种金属陶瓷复合耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，将1份酚醛树脂、20份碳化硅陶瓷粉末以及50份由高碳铬铁金属粉末、钼钨稀土合金粉、铁粉和碳粉组成的混合粉末在球磨机中球磨4小时，得到混合料；其中，混合粉末中高碳铬铁金属粉末的质量分数为15％，铁粉的质量分数为80％，钼钨稀土合金粉的质量分数为3％，碳粉的质量分数为2％；碳化硅陶瓷粉末粒径为5～20μm；
(2)向步骤(1)所得混合料中加入质量百分数为10％的水，湿磨5小时，得到浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，得到粒状料；其中，干燥塔进口温度为120℃，出口温度为70℃；
(4)将步骤(3)所得粒状料与氧化铝陶瓷颗粒按照体积比为1：2的比例混合，得到混合物；再向混合物中加入质量百分数为5％的酚醛树脂混合均匀，然后在压力机上用300MPa压力压实成型，得到预制件；其中，粒状料的粒径为50～100μm，氧化铝陶瓷颗粒的粒径为200～600μm；
(5)将步骤(4)所得预制件在氨气气氛下，于1000℃烧结90min，得到半成品；
(6)将步骤(5)所得半成品在900℃下淬火，然后在200℃下回火，得到金属陶瓷复合耐磨材料。
本实施例制得的金属陶瓷复合材料的硬度为96.6HRA；断裂韧性为12.9MPa·m1/2；在室温下进行干摩擦的摩擦系数为0.12。
实施例2
一种金属陶瓷复合耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，将2份硅酸钠、50份碳化硅陶瓷粉末以及60份由高碳铬铁金属粉末、钼钨稀土合金粉、铁粉和碳粉组成的混合粉末在球磨机中球磨6小时，得到混合料；其中，混合粉末中高碳铬铁金属粉末的质量分数为25％，铁粉的质量分数为72％，钼钨稀土合金粉的质量分数为1％，碳粉的质量分数为2％；碳化硅陶瓷粉末粒径为5～20μm；
(2)向步骤(1)所得混合料中加入质量百分数为15％的水，湿磨6小时，得到浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，得到粒状料；其中，干燥塔进口温度为100℃，出口温度为60℃；
(4)将步骤(3)所得粒状料与氧化铝陶瓷颗粒按照体积比为1：1的比例混合，得到混合物；再向混合物中加入质量百分数为8％的硅酸钠混合均匀，然后在压力机上用350MPa压力压实成型，得到预制件；其中，粒状料的粒径为50～100μm，氧化铝陶瓷颗粒的粒径为200～600μm；
(5)将步骤(4)所得预制件在氨气气氛下，于1050℃烧结60min，得到半成品；
(6)将步骤(5)所得半成品在950℃下淬火，然后在220℃下回火，得到金属陶瓷复合耐磨材料。
本实施例制得的金属陶瓷复合材料的硬度为95.1HRA；断裂韧性为11.8MPa·m1/2；在室温下进行干摩擦的摩擦系数为0.11。
实施例3
一种金属陶瓷复合耐磨材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，将2份聚乙烯醇、40份碳化硅陶瓷粉末以及70份由高碳铬铁金属粉末、钼钨稀土合金粉、铁粉和碳粉组成的混合粉末在球磨机中球磨6小时，得到混合料；其中，混合粉末中高碳铬铁金属粉末的质量分数为20％，铁粉的质量分数为76％，钼钨稀土合金粉的质量分数为3％，碳粉的质量分数为1％；碳化硅陶瓷粉末粒径为5～20μm；
(2)向步骤(1)所得混合料中加入质量百分数为12％的水，湿磨8小时，得到浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，得到粒状料；其中，干燥塔进口温度为110℃，出口温度为65℃；
(4)将步骤(3)所得粒状料与氧化铝陶瓷颗粒按照体积比为3：4的比例混合，得到混合物；再向混合物中加入质量百分数为6％的聚乙烯醇混合均匀，然后在压力机上用400MPa压力压实成型，得到预制件；其中，粒状料的粒径为50～100μm，氧化铝陶瓷颗粒的粒径为200～600μm；
(5)将步骤(4)所得预制件在氨气气氛下，于1150℃烧结70min，得到半成品；
(6)将步骤(5)所得半成品在950℃下淬火，然后在250℃下回火，得到金属陶瓷复合耐磨材料。
本实施例制得的金属陶瓷复合材料的硬度为98.7HRA；断裂韧性为13.2MPa·m1/2；在室温下进行干摩擦的摩擦系数为0.17。
对比例1
(1)按重量份数计，将2份硅酸钠、50份碳化硅陶瓷粉末以及60份由高碳铬铁金属粉末、钼钨稀土合金粉、铁粉和碳粉组成的混合粉末在球磨机中球磨6小时，得到混合料；其中，混合粉末中高碳铬铁金属粉末的质量分数为25％，铁粉的质量分数为72％，钼钨稀土合金粉的质量分数为1％，碳粉的质量分数为2％；碳化硅陶瓷粉末粒径为5～20μm；
(2)向步骤(1)所得混合料中加入质量百分数为15％的水，湿磨6小时，得到浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，得到粒状料；其中，干燥塔进口温度为100℃，出口温度为60℃；
(4)将步骤(3)所得粒状料在氨气气氛下，于1050℃烧结60min，得到半成品；
(5)将步骤(4)所得半成品在950℃下淬火，然后在220℃下回火，得到金属陶瓷复合材料。
本对比例制得的金属陶瓷复合材料的硬度为82.5HRA；断裂韧性为10.1MPa·m1/2；在室温下进行干摩擦的摩擦系数为0.29。
对比例2
(1)按重量份数计，将2份硅酸钠、50份碳化硅陶瓷粉末以及60份由高碳铬铁金属粉末、钼钨稀土合金粉、铁粉和碳粉组成的混合粉末在球磨机中球磨6小时，得到混合料；其中，混合粉末中高碳铬铁金属粉末的质量分数为25％，铁粉的质量分数为72％，钼钨稀土合金粉的质量分数为1％，碳粉的质量分数为2％；碳化硅陶瓷粉末粒径为5～20μm；
(2)向步骤(1)所得混合料压制成薄板，然后烘干，再破碎得到粒径为100～500μm的粒状料；
(3)将步骤(2)所得粒状料与氧化铝陶瓷颗粒按照体积比为1：1的比例混合，得到混合物；再向混合物中加入质量百分数为8％的硅酸钠混合均匀，然后在压力机上用350MPa压力压实成型，得到预制件；其中，粒状料的粒径为50～100μm，氧化铝陶瓷颗粒的粒径为200～600μm；
(4)将步骤(3)所得预制件在氨气气氛下，于1050℃烧结60min，得到半成品；
(5)将步骤(4)所得半成品在950℃下淬火，然后在220℃下回火，得到金属陶瓷复合材料。
本实施例制得的金属陶瓷复合材料的硬度为89.2HRA；断裂韧性为9.8MPa·m1/2；在室温下进行干摩擦的摩擦系数为0.32。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种金属陶瓷复合耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按重量份数计，将1～2份粘结剂、15～30份碳化硅陶瓷粉末以及50～70份由高碳铬铁金属粉末、钼钨稀土合金粉、铁粉和碳粉组成的混合粉末在球磨机中球磨3小时以上，得到混合料；
(2)向步骤(1)所得混合料中加入质量百分数为10～15％的水，湿磨5小时以上，得到浆料；
(3)将步骤(2)所得浆料进行喷雾造粒，得到粒状料；
(4)将步骤(3)所得粒状料与氧化铝陶瓷颗粒按照体积比为1～2:2的比例混合，得到混合物；再向混合物中加入质量百分数为5～8％的粘结剂混合均匀，然后压实成型，得到预制件；
(5)将步骤(4)所得预制件在氨气气氛下，于1000℃～1150℃烧结60～90min，得到半成品；
(6)将步骤(5)所得半成品在900～950℃下淬火，然后在200～250℃下回火，得到金属陶瓷复合耐磨材料。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中碳化硅陶瓷粉末粒径为5～20μm。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中混合粉末的粒径为80～120μm。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中混合粉末中高碳铬铁金属粉末的质量分数为15～25％，铁粉的质量分数为70～80％，钼钨稀土合金粉的质量分数为1～3％，碳粉的质量分数为1～3％。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中喷雾造粒中干燥塔进口温度为100～120℃，出口温度为60～70℃。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中粒状料的粒径为50～100μm。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(4)中氧化铝陶瓷颗粒的粒径为200～600μm。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(4)中压实成型具体为在压力机上用300～400MPa的压力压实。
9.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述粘结剂为硅酸钠、酚醛树脂或聚乙烯醇。
10.一种金属陶瓷复合耐磨材料，其特性在于，所述金属陶瓷复合耐磨材料由权利要求1～9任意一项所述方法制备而成。
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