CN111455249A - 一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制造方法 - Google Patents
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制备方法，其制备工艺过程包括：1)将配制好的钛粉、钨粉、胶体石墨粉以及合金剂经混和均匀，加入适量的水基粘结剂搅拌均匀放入模具中冲压成预制块；2)将预制块干燥后，固定在铸件需强化部位对应的泡沫模型上，涂敷耐火涂料，干燥后造型；3)浇注奥氏体锰钢金属液，利用金属液的高温诱发预制块中Ti、W金属元素与C元素发生高温燃烧合成反应，原位生成TiC、WC以及（Ti，W）C等复相陶瓷颗粒增强体，制造出颗粒增强锰钢基金属陶瓷表面复合铸件。
Description
技术领域
本发明属于金属基表面复合材料制备技术领域，涉及一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制造方法。
背景技术
高锰钢在较大的冲击载荷或接触应力作用下，其受力表层迅速产生加工硬化，并有高密度位错和形变孪晶相继生成，从而产生高耐磨的表面层，而且冲击载荷愈大，受力表面硬化层愈深，硬度愈高，抗磨能力愈强，而此时工件心部仍保持其固有的高韧性和高塑性，这是其它耐磨材料所不能比拟的。高锰钢最大的特点有两个：一是外来冲击载荷越大，其自身表层耐磨性越高；二是随着表面硬化层被磨耗，在外力载荷作用下新的加工硬化层连续不断地形成。高锰钢这一特殊性能使其在耐磨材料中仍占据比较重要的地位。
高锰钢优异的耐磨性是建立在加工硬化基础上的，需在高应力条件下服役才能充分加工硬化，而从目前耐磨件服役工况而言，高应力工况不足5%，绝大部分都是在中、低应力状态下工作，因而高锰钢不易被加工硬化，高的抗磨性未被充分发挥。高铬白口铸铁的硬度高、耐磨性好，但存在脆性大和冲击载荷下使用安全性差及生产成本高等不足。在大多数磨料磨损场合下，受磨损工件对其材质的要求既要有高的耐磨性，又要具备良好的韧性。单一材质及材料整体高合金化制造的耐磨件已难以满足上述相互矛盾的要求。此外，大多数场合下耐磨工件的磨损都发生在表面或某些特定部位，如采用昂贵的合金元素进行整体合金化或整体颗粒增强复合材料，是极不经济的。因此，开发廉价的钢铁基表面复合材料，使其同时具有外硬内韧、耐磨耐热等综合性能将具有十分重要的意义。
金属材料表面合金化作为提高机械零件可靠性和耐用性的重要手段，迄今，已有众多的金属材料表面合金化技术被应用到实际生产中。目前，已经得到应用的表面强化技术主要有物理气相沉积、辉光离子渗氮、表面离子喷涂、化学沉积、表面喷焊、激光表面强化等。但这些表面改性方法都是在零件成型后的二次表面处理技术，且需要复杂的专门处理设备，增加了工序，生产周期长，耗能大。铸造表面合金化技术是生产金属基表面复合材料的一种特殊制造方法，它又被称为被覆铸造法、铸渗法或熔铸法等。它是将能形成表面特殊性能层的各种铁合金粉末预先粘附、贴固或涂覆在铸型壁的特定表面上，然后浇注液体金属，利用其热量使表面材料熔化而与母材结合，从而使铸件表面形成具有特殊组织和优异性能的一种材料表面处理技术。是表面改性与机械零件成型同时进行的一种新型表面成型技术。正是由于铸造表面合金化技术不同于其它强化技术的这种强化机理和工艺规范，使得它具有与其它工艺方法无法比拟的优点，故在工业生产中备受关注。高锰钢表面合金化大多数是采用传统的砂型铸渗工艺，因而难以获得质量稳定的表面合金层；此外，还存在合金化层厚度小、涂覆位置局限性大、成本高等缺点，这些问题的存在就限制了高锰钢表面合金化的研究与应用。
目前，颗粒增强金属基复合材料因其具有综合性能好、制备工艺简单、成本低廉、适合整体和局部复合等优点，成为复合材料领域的研究热点之一。其中，原位合成TiC、WC、TiB2、VC等颗粒增强金属基复合材料具有高硬度、高熔点、低密度、低电阻率、低摩擦系数和传导率好等优点，且通过化学反应生成，其颗粒表面洁净、形状规整，与基体界面结合强度高等优点，倍受业界青睐。
现有技术中，中国发明专利CNI01709440公开了一种高锰钢基复合材料制备工艺，该制备工艺主要包括以下步骤：用铌丝编织铌丝网，经过裁剪、多层卷制或叠加制成网状立体骨架结构；按照铸造工艺要求制作铸型，把铌丝立体网状骨架预置在铸型型腔中；冶炼高锰钢浇入铸型中，冷却清理后得到铌丝-高锰钢二元材料预制体；把铌丝-高锰钢二元材料预制体置入热处理炉，加温到碳化物形成温度进行保温，获得碳化铌颗粒增强高锰钢基复合材料。用该方法制备的复合材料增强相颗粒体积分数少，制备工艺复杂。
公开号为CN201530904A的中国专利申请公开了一种破碎机复合材料锤头及其负压铸造方法，首先采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液,将WC颗粒与粘合剂混制成膏状填充于柱状金属网中，密封烘制后形成预制体并置于铸型型腔的端面侧。金属液出炉前启动真空泵,然后金属液出炉浇注,本发明所获得的复合材料锤头锤体为高锰钢、合金钢或普通碳钢，锤端即工作面或打击面由金属母体与均匀分布于其中的柱状增强体组成。其中柱状增强体是通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成的复合材料。但该专利所用WC颗粒比重大、价格昂贵、生产成本高，所用基体材料为高锰钢、合金钢或碳钢硬度低，在冲击磨损工况下，基体磨损快，对WC颗粒支撑作用小，WC颗粒易剥落，难以发挥WC的作用，且所用负压铸造工艺复杂。
中国专利CN101705445公开了一种高锰钢基SiC颗粒表面复合材料的制备方法，该方法首先对SiC颗粒进行表面处理，然后制备消失模模样，并在消失模模样相应于零件的磨损面覆加SiC颗粒膏块，浇注时采取负压实型铸造工艺，选用高锰钢作为浇铸基体材料。铸型经冷却、脱型、清理后获得烧结较好的表面高锰钢基SiC颗粒复合层。本技术中采取外加SiC颗粒制备复合材料，必须进行预处理，工序复杂，也难以控制复合材料的质量。中国专利CN1072214319A公开了一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，合金粉末Cr合金、W-Fe、Co-Fe中其中一种来优化颗粒增强金属基表层复合材料的耐磨性能。首先将增强颗粒、合金粉末以及粘结剂充分混合均匀，得到糊状混合物，然后将糊状混合物涂覆于EPS模型底面，然后将金属粉末与粘结剂混合均匀，制成糊状物涂覆于EPS模样中部，将其作为预制过渡层。再使用耐火材料将整个浇注系统涂覆随即烘干，最后将模型埋入干砂中振实且抽真空，进行浇注。该法所制备的颗粒增强金属基表层复合材料由三层组成，从下而上分别是复合层、过渡层及基材层，而过渡层的加入有效避免了复合层和基材组织在性能上的突变，大大提高了复合层和基材层的结合强度，其增强颗粒为外加WC、Al2O3、SiC，基体选用高锰钢或高铬铸铁。但是本发明制造工艺复杂，外加增强颗粒与基体材料润湿性不好。
中国专利CN103394671A公开了一种消失模铸造高锰钢耐磨表面复合材料的制备工艺，包括如下步骤：制备水基涂料，制备水基涂料的原料选用：SiC颗粒或WC颗粒、铬铁粉、稀土、EPS珠粒、CMC；将制得的水基涂料涂敷在消失模模样表面；放入烘干室烘烤，最后涂普通消失模铸钢涂料，烘干。组箱，干砂振动造型；浇注，得到SiC颗粒或WC颗粒增强高锰钢表面复合材料，该方法制得的颗粒增强表面复合层厚度薄，SiC或WC颗粒与高温钢液相遇易分解，减少了增强颗粒的体积百分数。
中国专利CN108160977A公开一种高锰钢基高耐磨低形变复合材料及其制备方法，本发明所述方法为将陶瓷颗粒与添加剂制成非连续柱状多孔陶瓷颗粒预制体，将预制体安放在型腔后，浇铸高锰钢液，制成高冲击条件下高锰钢基高抗磨低形变复合材料。本发明所述方法通过复合材料技术和非连续结构设计，在保证材料韧性的前提下，利用表层陶瓷颗粒提高材料耐磨性，并通过贯穿整个材料的柱状多孔结构对高锰钢基产生宏观钉扎作用，减少高锰钢基体的变形量，从而使该复合材料在高冲击条件下具有高抗磨低形变的性能。该方法中外加增强颗粒与高锰钢基体润湿性不好，高锰钢与柱状多孔陶瓷颗粒预制体大多为机械结合。
中国专利CN10884948A公开了一种复合球磨机衬板及其制备方法，这种复合球磨机衬板在磨损表面复合一层硬质陶瓷颗粒构成抗磨硬质相，以提高耐磨性。将粘结剂和助渗剂加入陶瓷颗粒，搅拌均匀后，按设计要求铺设到球磨机衬板铸型中，浇铸入基体高锰钢金属液，冷却、脱型清理后，即成为复合球磨机衬板。复合陶瓷颗粒由碳化硅、碳化钨、氮化硅、氮化钛中的一种或几种构成，该发明的优点是：在球磨机衬板磨损表面复合一层陶瓷颗粒构成抗磨硬质相，陶瓷颗粒间隙中充填了基体金属。以上专利的局限性在于无法制造形状复杂的局部增强复合材料，局部增强合金层致密度不高，制造工艺复杂，外加增强颗粒与基体材料界面污染，结合强度弱化，增强颗粒分布不均匀等。
专利申请号为201910890507的发明专利公开一种TiC析出增强高锰钢基复合材料及其制备工艺TiC析出增强高锰钢基复合材料包括TiC增强体颗粒，TiC增强体颗粒的体积分数为3.3-14.3％，其化学组成的重量百分含量为：C：1.6-2.7％，Mn：10-14％，Ti：2.1-6％，Si：0.3-1.0％，Ni：0-2％，Cr：0-2％，S≤0.03％，P≤0.03％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素。该TiC析出增强高锰钢基复合材料能改善高锰钢材料在低冲击工况下耐磨性能不足的问题。但是该发明的缺点是析出的TiC颗粒为高锰钢整体强化，增强颗粒体积百分数低，铸件表面初始硬度低，使用过程中提高初始耐磨性作用不理想。单一材质及材料整体高合金化制造的耐磨件已难以满足上述相互矛盾的要求。此外，大多数场合下耐磨工件的磨损都发生在表面或某些特定部位，如采用昂贵的合金元素进行整体合金化或整体颗粒增强复合材料，是极不经济的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种成本低廉且易于工业化生产的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制备方法，采用高温燃烧合成硬质陶瓷颗粒技术与铸造表面合金化工艺相结合的一种原位合成TiC、WC、（Ti，W）C复相颗粒增强锰钢基表面耐磨复合材料，使其同时具有外硬内韧、优异的耐磨等综合性能。故本发明局部强化复合材料，这样即可满足特定部位的耐磨等性能要求，又可以节约贵重合金元素，降低复合材料制造成本，克服采用昂贵的合金元素进行整体合金化或整体颗粒增强复合材料的缺陷。
本发明的技术方案如下：一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，利用高温燃烧反应结合干砂消失模铸造工艺，原位合成TiC、WC以及（Ti，W）C复相颗粒增强锰钢基表面耐磨复合材料，采用金属粉末制成，所述金属粉末包括金属钛粉、金属钨粉、胶体石墨粉、铬铁合金粉、钼铁合金粉、硼合金粉和稀土，所述金属粉末包含金属钛粉30~60wt%、金属钨粉15~30wt%、胶体石墨粉10~20wt%、铬铁合金粉5~10wt%、钼铁合金粉2~10wt%、硼合金粉0.5~5wt%、稀土0.5~10wt%。
优选的是，所述金属粉末包含金属钛粉35~55wt%、金属钨粉18-28wt%、胶体石墨粉12~18wt%、铬铁合金粉6~8wt%、钼铁合金粉4~8wt%、硼合金粉1~4wt%、稀土2~8wt%。
上述任一方案中优选的是，所述金属粉末包含金属钛粉40wt%、金属钨粉20wt%、胶体石墨粉10wt%、铬铁合金粉10wt%、钼铁合金粉10wt%、硼合金粉5wt%、稀土5wt%。
上述任一方案中优选的是，所述金属粉末包含金属钛粉50wt%、金属钨粉15wt%、胶体石墨粉15wt%、铬铁合金粉5wt%、钼铁合金粉5wt%、硼合金粉5wt%、稀土5wt%。
上述任一方案中优选的是，所述金属粉末包含金属钛粉60wt%、金属钨粉15wt%、胶体石墨粉15wt%、铬铁合金粉5wt%、钼铁合金粉2wt%、硼合金粉1.5wt%、稀土1.5wt%。
上述任一方案中优选的是，所述金属钛粉粒度为18~150μm，金属钨粉粒度为20~75μm，胶体石墨粉粒度为1.3~45μm，铬铁合金粉粒度为23~200μm，钼铁合金粉粒度为15~45μm，硼合金粉粒度为23~180μm，稀土粒度为5~150μm。
上述任一方案中优选的是，所述金属钛粉粒度为30~120μm，金属钨粉粒度为30~70μm，胶体石墨粉粒度为5~40μm，铬铁合金粉粒度为40~180μm，钼铁合金粉粒度为20~40μm，硼合金粉粒度为40~160μm，稀土粒度为20~120μm。
上述任一方案中优选的是，所述金属钛粉粒度为18μm，金属钨粉粒度为20μm，胶体石墨粉粒度为1.3μm，铬铁合金粉粒度为23μm，钼铁合金粉粒度为15μm，硼合金粉粒度为23μm，稀土粒度为5μm。
上述任一方案中优选的是，所述金属钛粉粒度为30μm，金属钨粉粒度为30μm，胶体石墨粉粒度为5μm，铬铁合金粉粒度为40μm，钼铁合金粉粒度为20μm，硼合金粉粒度为40μm，稀土粒度为20μm。
上述任一方案中优选的是，所述金属钛粉粒度为70μm，金属钨粉粒度为40μm，胶体石墨粉粒度为25μm，铬铁合金粉粒度为100μm，钼铁合金粉粒度为30μm，硼合金粉粒度为80μm，稀土粒度为70μm。
上述任一方案中优选的是，所述金属钛粉粒度为120μm，金属钨粉粒度为70μm，胶体石墨粉粒度为40μm，铬铁合金粉粒度为180μm，钼铁合金粉粒度为40μm，硼合金粉粒度为160μm，稀土粒度为120μm。
上述任一方案中优选的是，所述金属钛粉粒度为150μm，金属钨粉粒度为75μm，胶体石墨粉粒度为45μm，铬铁合金粉粒度为200μm，钼铁合金粉粒度为45μm，硼合金粉粒度为180μm，稀土粒度为150μm。
本发明还公开了一种采用上述复合材料制备的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合铸件，所述复合铸件包括基体和复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层组织。
上述任一方案中优选的是，复相颗粒增强金属陶瓷层厚度为5～200mm。
上述任一方案中优选的是，复相颗粒增强金属陶瓷层厚度为30～120mm。
上述任一方案中优选的是，复相颗粒增强金属陶瓷层厚度为5mm。
上述任一方案中优选的是，复相颗粒增强金属陶瓷层厚度为50mm。
上述任一方案中优选的是，复相颗粒增强金属陶瓷层厚度为100mm。
上述任一方案中优选的是，复相颗粒增强金属陶瓷层厚度为150mm。
上述任一方案中优选的是，复相颗粒增强金属陶瓷层厚度为200mm。
优选的是，所述基体为单相奥氏体组织。
上述任一方案中优选的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层组织包括基体相组织和分布其上的TiC、WC、（Ti，W）C颗粒相以及合金碳化物、硼化物。
上述任一方案中优选的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为10~50%，WC颗粒体积百分数为10~30%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为5~20%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为1~10%，其余为奥氏体基体相组织。
述任一方案中优选的是，所述合金碳化物、硼化物包括TiB2、FeB2、（Fe,W）2B、Mo2FeB、W6C、（Cr,Fe）3C2、（Cr,Fe）23C6中的一种或多种。
上述任一方案中优选的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为15~45%，WC颗粒体积百分数为15~25%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为10~15%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为2~8%。
上述任一方案中优选的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为10%，WC颗粒体积百分数为10%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为5%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为1%，其余为奥氏体基体相组织。
上述任一方案中优选的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为25%，WC颗粒体积百分数为15%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为10%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为5%，其余为奥氏体基体相组织。
上述任一方案中优选的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为45%，WC颗粒体积百分数为25%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为20%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为5%，其余为奥氏体基体相组织。
上述任一方案中优选的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层由表及里硬度逐渐下降，宏观硬度值范围为40~69HRC。其锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷层表面复合材料硬度变化曲线如图4所示。
上述任一方案中优选的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层宏观硬度值范围为50~65HRC。
上述任一方案中优选的是，基体为奥氏体锰钢，硬度值为19~22HRC。
本发明还公开上述锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合铸件的制备方法，包括混配料、预制块成型、浇注钢液和热处理，所述金属陶瓷表面复合材料是在奥氏体锰钢铸件表面形成TiC／WC复相颗粒增强硬质金属陶瓷复合层，具体制备方法包括如下步骤：
（1）混配料：分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料，混合均匀；
（2）所述预制块成型：将混合均匀的粉末中加入水基胶粘剂，搅拌均匀后添入模具的型腔中，进行压制，制成一定形状的预制块，烘干；将干燥好的预制块粘结到泡沫模型需强化部位的表面上，然后涂覆防粘砂耐火涂料，干燥，造型；
（3）所述浇注钢液：熔炼奥氏体锰钢钢液，浇注成型，高温钢液与预制块接触引发放热反应，原位生成TiC／WC复相颗粒增强金属陶瓷层的奥氏体锰钢复合铸件；
（4）所述热处理：将表面复相颗粒增强奥氏体锰钢复合铸件加热并保温固溶后进行水韧化处理，所述步骤（1）-步骤（4）顺序进行。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中按质量百分比30％~60％：15％~30％：10％~20％：10％~25％分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中按质量百分比35％~55％：22％~28％：12％~18％：22％~28％分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中按质量百分比30％：25％：20％：25％分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中按质量百分比45％：20％：15％：20％分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中按质量百分比50％：20％：15％：15％分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料。
上述任一方案中优选的是，步骤(1)中，所述合金剂包括铬铁合金、钼铁合金、硼合金粉和稀土中的一种或多种。
上述任一方案中优选的是，铬铁合金、钼铁合金、硼合金粉和稀土分别占粉末总原材料的5％~10％：2％~10％：0.5％~5％：0.5％~10％ 。
上述任一方案中优选的是，铬铁合金、钼铁合金、硼合金粉和稀土分别占粉末总原材料的6％~8％：4％~8％：2％~4％：2％~8％ 。
上述任一方案中优选的是，所述铬铁合金包括低碳铬铁或中碳铬铁或高碳铬铁中一种或几种。
上述任一方案中优选的是，所述钼铁合金粉包括钼铁60或钼铁55中的一种或两种。
上述任一方案中优选的是，所述硼合金粉包括低碳硼铁20、硼砂、硼酐中一种或几种。
上述任一方案中优选的是，所述稀土包括稀土硅铁合金或稀土硅镁合金或氧化稀土中一种或几种。
上述任一方案中优选的是，步骤(1)中，配料在V型混料机中混合均匀，混合时间为0.5~10h。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:2-30。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:2。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:10。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:20。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:30。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述水基胶粘剂为质量百分数0.5~4%的羧甲基纤维素钠水溶液。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述水基胶粘剂为质量百分数1~2%的羧甲基纤维素钠水溶液。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述水基胶粘剂为质量百分数0.5%的羧甲基纤维素钠水溶液。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述水基胶粘剂为质量百分数2%的羧甲基纤维素钠水溶液。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述水基胶粘剂为质量百分数4%的羧甲基纤维素钠水溶液。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块压制压力为1~100MPa。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块压制压力为1MPa。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块压制压力为50MPa。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块压制压力为100MPa。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块粘接固定方式包括用有机粘接剂粘接到锰钢铸件泡沫塑料表面上或直接固定在铸件泡沫塑料预留的凹槽中。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，防粘砂耐火涂料需要在整个模型外表面涂覆。
上述任一方案中优选的是，在步骤(2)中，所述涂覆防粘砂耐火涂料涂覆厚度为1.5~3.0mm，涂料骨料包括镁砂粉、镁橄榄石粉、高铝粉或蓝晶石粉中的一种或几种。
上述任一方案中优选的是，在步骤(2)中，所述涂覆防粘砂耐火涂料涂覆厚度为1.5mm。
上述任一方案中优选的是，在步骤(2)中，所述涂覆防粘砂耐火涂料涂覆厚度为2.0mm。
上述任一方案中优选的是，在步骤(2)中，所述涂覆防粘砂耐火涂料涂覆厚度为3.0mm。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块在恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥时间为1-8h，温度为50~300℃。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块在恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥时间为2-6h，温度为80~250℃。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块干燥时间为1h，温度为300℃。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块干燥时间为4h，温度为150℃。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述预制块干燥时间为8h，温度为50℃。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，涂有防粘砂耐火涂料的铸件模型在不高于50℃的温度范围内充分干燥去除潮气，干燥总时间为16~40h。
上述任一方案中优选的是，步骤(2)中，所述泡沫模型中的泡沫塑料为可发性聚苯乙烯塑料。
上述任一方案中优选的是，步骤(3)中，在中频感应电炉中熔炼奥氏体锰钢钢液，采用干砂消失模铸造工艺浇注成型。
上述任一方案中优选的是，所述干砂为10~60目的石英砂和/或宝珠砂，浇注初始负压度控制在0.03~0.07MPa之间。
上述任一方案中优选的是，浇注初始负压度控制为0.03MPa。
上述任一方案中优选的是，浇注初始负压度控制为0.07MPa。
上述任一方案中优选的是，步骤(3)中，所述熔炼的奥氏体锰钢为高锰钢、超高锰钢、中锰钢及改性高锰钢中至少一种，钢液浇注温度范围为1450~1520℃。
上述任一方案中优选的是，步骤(3)中，钢液浇注温度范围为1460~1500℃。
上述任一方案中优选的是，在步骤(4)中，所述复合铸件固溶水韧化热处理方法具体包括以下步骤：
（1）先将铸件缓慢升温至，保温，使铸件受热均匀后继续加热后保温；
（2）快速淬入冷水中，入水后控制复合铸件在水中移动。
优选的是，所述步骤（1）中先将铸件缓慢升温至640~650 ℃，保温1~3h，使铸件受热均匀后再加热到1050~1100 ℃时保温1~2h。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中冷水温度不高于40 ℃，入水后控制复合铸件在水中上下、前后或左右移动，固溶水韧化热处理结束后水温小于50 ℃。
有益效果：
本发明的有益效果如下：
（1）其通过采用燃烧合成反应原位生成的TiC、 WC、（Ti，W）C等复相硬质颗粒对铸件抗磨损区域进行弥散硬质陶瓷颗粒强化，生成耐磨的金属陶瓷复合层，硬质陶瓷颗粒体积分数大，其范围在40～70%之间，在基体相中分布均匀，其颗粒形貌和分布情况，如发明附图图1所示。其中TiC的显微硬度为3200HV、WC的显微硬度为2400HV，明显高于高铬铸铁中起抗磨损作用铬的碳化物Cr7C3的显微硬度800～1200HV，其耐磨性能优于高铬铸铁；
（2）添加铬铁、钼铁、硼和稀土等合金粉末后，在表面合金化的作用下，溶入奥氏体基体相中固溶强化，提高基体相的强度；同时与合金粉中的钛、钨、碳等元素之间熔合析出形成多种合金碳化物、硼化物，如TiB2、FeB2、（Fe,W）2B、Mo2FeB、W6C、（Cr,Fe）3C2、（Cr,Fe）23C6、（Cr,Fe）7C3等。这些碳化物、硼化物，特别是硼化物可以细化基体相晶粒，起到细晶强化作用，还可以控制燃烧反应的速度，提高金属陶瓷层的致密度。充分发挥奥氏体锰钢基体固有的高韧性，同时强化后的奥氏体基体相对硬质陶瓷颗粒相的支撑作用大幅度提高；
（3）该发明利用高放热体系Ti-C燃烧反应激活弱放热体系W-C的燃烧反应，实现原位合成TiC、WC以及（Ti，W）C复相颗粒增强锰钢基表面耐磨复合材料的制备，降低了WC的制造成本，节约了贵重金属元素；原位合成TiC、WC以及（Ti，W）C复相颗粒过程中放出的热量，可以促进铸件表面合金化过程，提高了表面金属陶瓷层的质量；
（4）将粉末压制成预制块，可以降低合金粉末成型过程中的粘接剂和水分含量，提高钢结硬质合金硬化层厚度及致密度；
（5）由于加入的硼元素会使传统的有机粘结剂聚乙烯醇（PVA）水溶液产生胶凝现象，选用羧甲基纤维素钠（CMC）水溶液可以避免这种现象发生；
（6）本发明所制备的复合铸件工作表面生成耐磨的金属陶瓷复合层，可大幅度提高工件表面层的初始硬度，表面硬度值最高可以达到69HRC；在实际使用过程中，当表面金属陶瓷层厚度为5mm时，其磨损速率相当于厚度为40mm普通高锰钢铸件的磨损速率，故可以明显降低工件使用初期的磨损速度。而锰钢基体在使用过程中不断吸收冲击能量，使基体在磨损前发生不同程度的形变和加工硬化，可以解决在使用过程中奥氏体锰钢硬化速度慢、硬化层浅的问题，使母材与金属陶瓷复合层的使用性能最佳配合；
（7）该发明复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料生产工艺简单，金属陶瓷复合层与锰钢铸件的制造同时进行，大大缩短了复合材料的生产周期，降低成本，工艺过程易于产业化，目前已经在矿山球磨机复合衬板、水泥料槽复合衬板等实现工业化生产；
（8）本发明原位合成的复相陶瓷颗粒形貌接近球形，表面无钝角，在热处理加热过程中，颗粒形貌基本不发生改变，水韧化处理后，金属陶瓷表面复合铸件不会因高硬度的硬质相而产生裂纹，提高了复合铸件使用的可靠性，在使用过程中金属陶瓷层没有出现过掉块或剥落现象，完全满足现场安全生产的要求。
附图说明
图1锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料组织照片；
其中，图1（a）为表面复合材料的界面光学显微镜组织形貌（OM），上部为奥氏体锰钢基体、下部为锰钢基金属陶瓷复合层；
图1（b）为表面复合材料界面扫描电镜组织形貌（SEM），上部为锰钢基金属陶瓷复合层，下部为奥氏体锰钢基体；
图1（c）为锰钢基金属陶瓷复合层组织形貌（SEM），其中深灰色颗粒为原位合成的TiC颗粒（A区域），白色颗粒为原位合成的WC颗粒（B区域），浅灰色部分为奥氏体锰钢基体相（C区域）。
图2利用本发明制备颗粒增强金属陶瓷复合材料示意图；
图3为图2的剖视图；
附图标记：1、预制体；2、锰钢基体泡沫塑料模型；
图4为锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料硬度变化曲线图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供一种锰钢基碳化钛／碳化钨复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，其由高韧性的奥氏体锰钢基体材料和颗粒增强金属陶瓷表面复合材料组成，其中颗粒增强金属陶瓷表面复合材料为原位合成TiC、WC、Al2O3 TiC、WC、（Ti，W）以及合金碳化物、硼化物等复相颗粒增强锰钢基表面耐磨复合材料。
本实施例进一步优化的技术方案是，锰钢基碳化钛／碳化钨复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，其主要原料中含有金属钛粉、金属钨粉、胶体石墨粉、铬铁合金粉、钼铁合金粉、硼合金粉和稀土，其特征在于：所述一种具有原位合成TiC、WC以及（Ti，W）C复相颗粒增强锰钢基表面超耐磨复合材料，所述原料中的金属粉末包含粒度80μm的金属钛粉40wt%、粒度40μm的金属钨粉25wt%、粒度20μm的胶体石墨粉15wt%、粒度100μm的铬铁合金粉6wt%、粒度30μm的钼铁合金粉6wt%、粒度120μm的硼合金粉2wt%和粒度70μm的稀土5wt%，利用高温燃烧反应结合干砂消失模铸造工艺，原位合成TiC、WC以及（Ti，W）C复相颗粒增强锰钢基表面耐磨复合材料铸件。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，所述复合材料包括奥氏体锰钢基体和表面复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，所述基体为单相奥氏体组织；复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层组织包括基体相组织和分布其上的TiC、WC、（Ti，W）C颗粒相以及少量合金碳化物、硼化物。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为25%，WC颗粒体积百分数为20%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为22%；其它合金碳化物、硼化物体积百分数为6%，其余为奥氏体基体相组织。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料其特征在于：所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层具有良好的耐磨性，由表及里硬度呈逐渐下降趋势，宏观硬度值范围为40~69HRC；基体奥氏体锰钢的硬度值19~22HRC。
本发明还提供一种锰钢基碳化钛／碳化钨复相颗粒增强金属陶瓷表面复铸件的制备方法，包括混配料、预制块成型、浇注钢液和热处理，所述金属陶瓷表面复合材料是在奥氏体锰钢铸件表面形成TiC／WC复相颗粒增强硬质金属陶瓷复合层，所述方法具体步骤如下：
(1)所述混配料：按质量百分比分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料，投入到V型混料机中混合均匀；
(2)所述预制块成型：将上述混合均匀的粉末中加入适量的水基胶粘剂，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:2-1:30，搅拌均匀后添入模具的型腔中，在一定压力下进行压制，制成一定形状的预制块，在恒温鼓风干燥箱中进行烘干除气；将干燥好的预制块粘结到泡沫模型需强化部位的表面上，然后在整个模型外表面涂覆一定厚度的防粘砂耐火涂料，充分干燥后置入砂箱干砂造型，如图2和图3所示；
(3) 所述浇注钢液：在中频感应电炉中熔炼奥氏体锰钢钢液，采用干砂消失模铸造工艺浇注成型，高温钢液与预制块接触引发放热反应（Ti+C=TiC，W+C=WC），原位生成TiC／WC复相颗粒增强金属陶瓷层的奥氏体锰钢复合铸件；
(4) 所述热处理：将表面复相颗粒增强奥氏体锰钢复合铸件加热到一定温度并保温一定时间固溶后进行水韧化处理。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述的一种锰钢基碳化钛／碳化钨复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料及其制备方法，步骤(1)中，所述合金剂：由铬铁合金、钼铁合金、硼合金粉和稀土组成，其占粉末总原材料质量百分比为8：6：3：6 ，铬铁合金包括低碳铬铁或中碳铬铁或高碳铬铁中一种或几种，钼铁合金粉包括钼铁60或钼铁55中的一种或两种，硼化物包括低碳硼铁20、硼砂、硼酐中一种或几种，稀土包括稀土硅铁合金或稀土硅镁合金或氧化稀土中一种或几种。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(1)中，所述在V型混料机中混合均匀时间为0.5~10h。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(2)中，所述水基胶粘剂为质量百分数0.5~4%的羧甲基纤维素钠（CMC）水溶液。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(2)中，所述预制块压制压力为1~100MPa；预制体固定方法包括用有机粘接剂粘接到锰钢铸件泡沫塑料表面上或直接固定在铸件泡沫塑料预留的凹槽中等方式。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(2)中，所述涂覆防粘砂涂料涂覆厚度为1.5~3.0mm，涂料骨料包括镁砂粉、镁橄榄石粉、高铝粉或蓝晶石粉中的一种或几种。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(2)中，所述预制块在恒温鼓风干燥时间为1-8h，温度为100~300℃；涂有防粘砂涂料的铸件模型在不高于50℃的温度范围内充分干燥去除潮气，干燥总时间为16~40h。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(2)中，所述泡沫模型中的泡沫塑料为可发性聚苯乙烯塑料。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(3)中，所述熔炼奥氏体锰钢钢液为高锰钢、超高锰钢、中锰钢及改性高锰钢中任一种，钢液浇注温度范围为1450~1520℃。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(3)中，所述铸造工艺为干砂消失模铸造工艺，干砂为10~60目的石英砂或宝珠砂，浇注初始负压度控制在0.03~0.07Mpa之间。
本实施例进一步优化的技术方案是，所述步骤(4)中，所述复合铸件固溶水韧化热处理工艺，先将铸件缓慢升温至640~650 ℃时，保温1~3h，使铸件受热均匀后再加热到1050~1100 ℃时保温1~2h，快速淬入不高于40 ℃的冷水中，入水后控制复合铸件在水中上下、前后或左右移动，固溶水韧化热处理结束后水温小于50 ℃。
实施例2
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，按重量百分比称取粒度30-45μm的金属钛粉1200g、18-23μm金属钨粉150g、13-18μm的胶体石墨粉310g、75μm的高碳铬铁粉200g、23μm的60钼铁合金粉50g、75μm的20低碳硼铁合金粉40g和100μm稀土硅铁合金粉50g，在V型混料机机中混合6h，然后加入2%羧甲基纤维素钠（CMC）水溶液约400g，在拌和机中搅拌1.0h制成合金粉料。将混合均匀的合金粉料添加到模具中压制成预制块，压制力为10MPa，在120℃的温度下在恒温鼓风干燥箱内干燥4h，，将干燥好的预制块用有机粘接剂固定在球磨机衬板泡沫塑料白模模型的凹槽中。然后，外挂约1.2~2.0mm厚的镁砂粉涂料，在不高于50 ℃的烘干房内干燥24-48h，要求烘干房相对湿度不超过30%。
将干燥好的球磨机衬板模型及浇注系统箱外组合固定牢固后，放入砂箱内并用30~40目宝珠砂填埋，置于三维振实台上振动造型。按国家标准熔炼ZG120Mn13高锰钢钢液，浇注温度为1450~1480 ℃，真空负压0.045~0.055MPa，保压时间10min，浇注结束后静置4h后翻箱、落砂，清理、打磨后得到高锰钢基表面复合材料铸件。
将高锰钢基表面复合材料铸件缓慢升温至650 ℃时，保温2h，再加热到1060℃时保温2h，快速淬入不高于35 ℃的冷水中，控制复合铸件在水中移动，冷却至水温。
高锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷层与高锰钢基体呈冶金结合，表面质量好，由表及里硬度值范围为40～59HRC，锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料硬度变化曲线如图4所示，由表及里硬度逐渐下降；基体高锰钢硬度值为20HRC，其冲击韧性大于100J／cm2。本实施例中预制块压制力较大，可以提高金属陶瓷复合材料的致密度，当预制块厚度为5mm时，其球磨机复合衬板的使用寿命是原高锰钢衬板的2.0-2.5倍。对高锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷复合材料进行组织观察，如图1所示。
实施例3
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，按重量百分比称取粒度20-45μm的金属钛粉600g、20-45μm金属钨粉75g、13-18μm的胶体石墨粉155g、75μm的高碳铬铁粉100g、18μm的55钼铁合金粉30g、20μm的硼砂粉20g和75μm稀土硅镁合金粉20g，在V型混料机机中混合2h，然后加入3%羧甲基纤维素钠（CMC）水溶液约200g，在拌和机中搅拌1.0h制成合金粉料。将混合均匀的合金粉料添加到模具中压制成预制块，压制力为6MPa，在80℃的温度下在恒温鼓风干燥箱内干燥3h，，将干燥好的预制块用有机粘接剂固定在打桩机斗齿泡沫塑料白模模型抗磨损面上。然后，外挂约1.0~1.5mm厚的镁橄榄石粉涂料，在不高于50 ℃的烘干房内干燥20-40h，要求烘干房相对湿度不超过30%。
将干燥好的打桩机斗齿模型及浇注系统箱外组合固定牢固后，放入砂箱内并用20~30目干石英砂填埋，置于三维振实台上振动造型。按国家标准熔炼ZG120Mn17Cr2超高锰钢钢液，浇注温度为1460~1500 ℃，真空负压0.045~0.055MPa，保压时间10min，浇注结束后静置4h后翻箱、落砂，清理、打磨后得到超高锰钢基表面复合材料铸件。
将超高锰钢基表面复合材料铸件缓慢升温至650 ℃时，保温1.5h，再加热到1100℃时保温1.5h，快速淬入不高于35 ℃的冷水中，控制复合铸件在水中移动，冷却至水温。
超高锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷层与奥氏体锰钢基体呈冶金结合，表面质量好，由表及里硬度值范围为42～65HRC；基体超高锰钢硬度值为24HRC，其冲击韧性大于150J／cm2。本实施例通过选择超高锰钢基体材料可以提高金属陶瓷复合材料的韧性，适用于较大冲击力的工况条件，添加铬铁、钼铁、硼砂等合金剂，其表面合金化作用，大幅度提高奥氏体基体的强度，加强了基体相对复相硬质颗粒的支撑作用。对奥氏体锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷复合材料进行组织观察，与实施例2图1所示基本一致。
实施例 4
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，按重量百分比称取粒度23-45μm的金属钛粉400g、18-23μm金属钨粉75g、6.5-13μm的胶体石墨粉105g、45μm的中碳铬铁粉80g、23μm的60钼铁合金粉20g、45μm的硼酐粉15g和23μm稀土氧化镧粉20g，在V型混料机机中混合2h，然后加入3%羧甲基纤维素钠（CMC）水溶液约150g，在拌和机中搅拌1.0h制成合金粉料。将混合均匀的合金粉料添加到模具中压制成预制块，压制力为80MPa，在90℃的温度下在恒温鼓风干燥箱内干燥3h，将干燥好的预制块用有机粘接剂固定在挖掘机铲齿泡沫塑料白模模型抗磨损面上。然后，外挂约1.0~1.5mm厚的镁橄榄石粉涂料，在不高于50℃的烘干房内干燥20-40h，要求烘干房相对湿度不超过30%。
将干燥好的挖掘机铲齿模型及浇注系统箱外组合牢固后，放入砂箱内并用40~60目宝珠砂填埋，置于三维振实台上振动造型。按国家标准熔炼ZG120Mn13Cr2高锰钢钢液，浇注温度为1450~1480℃，真空负压0.045~0.055MPa，保压时间10min，浇注结束后静置4h后翻箱、落砂，清理、打磨后得到高锰钢基表面复合材料铸件。
将高锰钢基表面复合材料铸件缓慢升温至640 ℃时，保温1.5h，再加热到1080℃时保温1.5h，快速淬入不高于35 ℃的冷水中，控制复合铸件在水中移动，冷却至水温。
高锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷层与奥氏体锰钢基体呈冶金结合，表面质量好，由表及里硬度值范围为40～62HRC；基体高锰钢硬度值为22HRC，其冲击韧性大于100J／cm2。本实施例中预制块压制力较大，金属陶瓷复合层的致密度有所提高，金属陶瓷复合层平均硬度较高，但冲击韧性大于15／cm2，具有良好的强韧性匹配，挖掘机复合铲齿使用寿命是原低合金钢铲齿的2.5-3.0倍，使用过程中没有出现掉块现象。对高锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷复合材料进行组织观察，与实施例2图1所示基本一致。
实施例 5
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，按重量百分比称取粒度30-45μm的金属钛粉400g、18-23μm金属钨粉75g、13-18μm的胶体石墨粉105g、75μm的低碳铬铁粉80g、23μm的60钼铁合金粉20g、45μm的低碳硼铁合金粉15g和稀土硅镁合金粉15g，在V型混料机机中混合2h，然后加入3%羧甲基纤维素钠（CMC）水溶液约100g，在拌和机中搅拌1.0h制成合金粉料。将混合均匀的合金粉料添加到模具中压制成预制块，压制力为10MPa，在100℃的温度下在恒温鼓风干燥箱内干燥2h，，将干燥好的预制块用有机粘接剂固定在摊铺机搅拌叶片泡沫塑料白模模型抗磨损面上。然后，外挂约1.0~1.5mm厚的蓝晶石粉涂料，在不高于50 ℃的烘干房内干燥20-40h，要求烘干房相对湿度不超过30%。
将干燥好的复合摊铺机搅拌叶片模型及浇注系统箱外组合牢固后，放入砂箱内并用20~30目干石英砂填埋，置于三维振实台上振动造型。按国家标准熔炼ZG120Mn7Cr2中锰钢钢液，浇注温度为1450~1480 ℃，真空负压0.050~0.060MPa，保压时间10min，浇注结束后静置4h后翻箱、落砂，清理、打磨后得到中锰钢基表面复合材料铸件。
将中锰钢基表面复合材料铸件缓慢升温至640 ℃时，保温1.5h，再加热到1050℃时保温1.5h，快速淬入不高于40 ℃的冷水中，控制复合铸件在水中移动，冷却至水温。
中锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷层与奥氏体中锰钢基体呈冶金结合，表面质量好，由表及里硬度值范围为45～62HRC；基体中锰钢硬度值为23HRC，其冲击韧性大于50J／cm2。基体选用中锰钢材质后，提高了金属陶瓷复合层的硬度，加入低碳铬铁、钼铁、低碳硼铁合金，其表面合金化可以提高金属陶瓷复合层中奥氏体基体相的强度，使金属陶瓷复合层在使用过程中加工硬化速度加快，提高了铸件初始耐磨性，适用于中、小冲击工况条件下的耐磨铸件。对奥氏体锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷复合材料进行组织观察，与实施例2图1所示基本一致。
实施例 6
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，按重量百分比称取粒度30-45μm的金属钛粉800g、18-23μm金属钨粉150g、13-18μm的胶体石墨粉210g、75μm的高碳铬铁粉100g、23μm的60钼铁合金粉30g、45μm的硼砂粉20g和45μm稀土硅合金粉20g，在V型混料机机中混合2h，然后加入4%羧甲基纤维素钠（CMC）水溶液约300g，在拌和机中搅拌1.0h制成合金粉料。将混合均匀的合金粉料添加到模具中压制成预制块，压制力为20MPa，在80℃的温度下在恒温鼓风干燥箱内干燥3h，，将干燥好的预制块用有机粘接剂固定在颚式破碎机颚板泡沫塑料白模模型抗磨损面上。然后，外挂约1.2~2.0mm厚的镁橄榄石粉涂料，在不高于50 ℃的烘干房内干燥20-40h，要求烘干房相对湿度不超过30%。
将干燥好的复合颚式破碎机颚板模型及浇注系统箱外组合固定牢固后，放入砂箱内并用20~30目干石英砂填埋，置于三维振实台上振动造型。按国家标准熔炼ZG120Mn13Cr2RE改性高锰钢钢液，浇注温度为1450~1480 ℃，真空负压0.050~0.065MPa，保压时间10min，浇注结束后静置4h后翻箱、落砂，清理、打磨后得到改性高锰钢基表面复合材料铸件。
将改性高锰钢基表面复合材料铸件缓慢升温至650 ℃时，保温1.5h，再加热到1080℃时保温1.5h，快速淬入不高于35℃的冷水中，控制复合铸件在水中移动，冷却至水温。
改性高锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷层与奥氏体锰钢基体呈冶金结合，表面质量好，由表及里硬度值范围为42～62HRC；基体改性高锰钢硬度值为24HRC，其冲击韧性大于120J／cm2。本实施例通过选择改性高锰钢基体材料，其复相颗粒增强金属陶瓷复合层既保持了高韧性又具有良好的耐磨性能，在使用过程中可以大幅度提高冲击硬化速率，适用于大冲击工况条件下的大型耐磨铸件。对奥氏体锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷复合材料进行组织观察，与实施例2图1所示基本一致。
实施例7
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为10%，WC颗粒体积百分数为10%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为5%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为1%，其余为奥氏体基体相组织，其它合金碳化物、硼化物包括TiB2、FeB2、（Fe,W）2B、Mo2FeB、W6C、（Cr,Fe）3C2、（Cr,Fe）23C6中的一种或多种。
实施例8
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例7相似，不同的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为25%，WC颗粒体积百分数为15%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为10%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为5%，其余为奥氏体基体相组织。
实施例9
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例8相似，不同的是，所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为45%，WC颗粒体积百分数为25%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为20%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为5%，其余为奥氏体基体相组织。
实施例10
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，金属粉末包含金属钛粉40wt%、金属钨粉20wt%、胶体石墨粉10wt%、铬铁合金粉10wt%、钼铁合金粉10wt%、硼合金粉5wt%、稀土5wt%。
实施例11
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，所述金属粉末包含金属钛粉50wt%、金属钨粉15wt%、胶体石墨粉15wt%、铬铁合金粉5wt%、钼铁合金粉5wt%、硼合金粉5wt%、稀土5wt%。
实施例12
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，金属粉末包含金属钛粉60wt%、金属钨粉15wt%、胶体石墨粉15wt%、铬铁合金粉5wt%、钼铁合金粉2wt%、硼合金粉1.5wt%、稀土1.5wt%。
实施例13
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，所述金属钛粉粒度为18μm，金属钨粉粒度为20μm，胶体石墨粉粒度为1.3μm，铬铁合金粉粒度为23μm，钼铁合金粉粒度为15μm，硼合金粉粒度为23μm，稀土粒度为5μm。
实施例14
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，所述金属钛粉粒度为30μm，金属钨粉粒度为30μm，胶体石墨粉粒度为5μm，铬铁合金粉粒度为40μm，钼铁合金粉粒度为20μm，硼合金粉粒度为40μm，稀土粒度为20μm。
实施例15
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，所述金属钛粉粒度为70μm，金属钨粉粒度为40μm，胶体石墨粉粒度为25μm，铬铁合金粉粒度为100μm，钼铁合金粉粒度为30μm，硼合金粉粒度为80μm，稀土粒度为70μm。
实施例16
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，所述金属钛粉粒度为120μm，金属钨粉粒度为70μm，胶体石墨粉粒度为40μm，铬铁合金粉粒度为180μm，钼铁合金粉粒度为40μm，硼合金粉粒度为160μm，稀土粒度为120μm。
实施例17
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，所述金属钛粉粒度为150μm，金属钨粉粒度为75μm，胶体石墨粉粒度为45μm，铬铁合金粉粒度为200μm，钼铁合金粉粒度为45μm，硼合金粉粒度为180μm，稀土粒度为150μm。
实施例18
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，铬铁合金、钼铁合金、硼合金粉和稀土分别占粉末总原材料的5％：2％：0.5％：0.5％。
实施例19
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，铬铁合金、钼铁合金、硼合金粉和稀土分别占粉末总原材料的8％：8％：3％：6％ 。
实施例20
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，铬铁合金、钼铁合金、硼合金粉和稀土分别占粉末总原材料的10％：10％：5％：10％ 。
实施例21
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:2。
实施例22
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:10。
实施例23
一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，和实施例1相似，不同的是，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:20。
采用上述实施例制备的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，（1）其通过采用燃烧合成反应原位生成的TiC、 WC、（Ti，W）C等复相硬质颗粒对铸件抗磨损区域进行弥散硬质陶瓷颗粒强化，生成耐磨的金属陶瓷复合层，硬质陶瓷颗粒体积分数大，其范围在40～70%之间，在基体相中分布均匀。其中TiC的显微硬度为3200HV、WC的显微硬度为2400HV，明显高于高铬铸铁中起抗磨损作用铬的碳化物Cr7C3的显微硬度800～1200HV，其耐磨性能优于高铬铸铁。
在制备时，添加铬铁、钼铁、硼和稀土等合金粉末后，在表面合金化的作用下，溶入奥氏体基体相中固溶强化，提高基体相的强度；同时与合金粉中的钛、钨、碳等元素之间熔合析出形成多种合金碳化物、硼化物，如TiB2、FeB2、（Fe,W）2B、Mo2FeB、W6C、（Cr,Fe）3C2、（Cr,Fe）23C6、（Cr,Fe）7C3等。这些碳化物、硼化物，特别是硼化物可以细化基体相晶粒，起到细晶强化作用，还可以控制燃烧反应的速度，提高金属陶瓷层的致密度。充分发挥奥氏体锰钢基体固有的高韧性，同时强化后的奥氏体基体相对硬质陶瓷颗粒相的支撑作用大幅度提高。
该发明利用高放热体系Ti-C燃烧反应激活弱放热体系W-C的燃烧反应，实现原位合成TiC、WC以及（Ti，W）C复相颗粒增强锰钢基表面耐磨复合材料的制备，降低了WC的制造成本，节约了贵重金属元素；原位合成TiC、WC以及（Ti，W）C复相颗粒过程中放出的热量，可以促进铸件表面合金化过程，提高了表面金属陶瓷层的质量。
本发明所制备的复合铸件工作表面生成耐磨的金属陶瓷复合层，可大幅度提高工件表面层的初始硬度，表面硬度值最高可以达到69HRC；在实际使用过程中，当表面金属陶瓷层厚度为5mm时，其磨损速率相当于厚度为40mm普通高锰钢铸件的磨损速率，故可以明显降低工件使用初期的磨损速度。而锰钢基体在使用过程中不断吸收冲击能量，使基体在磨损前发生不同程度的形变和加工硬化，可以解决在使用过程中奥氏体锰钢硬化速度慢、硬化层浅的问题，使母材与金属陶瓷复合层的使用性能最佳配合。
本发明复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料生产工艺简单，金属陶瓷复合层与锰钢铸件的制造同时进行，大大缩短了复合材料的生产周期，降低成本，工艺过程易于产业化，目前已经在矿山球磨机复合衬板、水泥料槽复合衬板等实现工业化生产；
本发明原位合成的复相陶瓷颗粒形貌接近球形，表面无钝角，在热处理加热过程中，颗粒形貌基本不发生改变，水韧化处理后，金属陶瓷表面复合铸件不会因高硬度的硬质相而产生裂纹，提高了复合铸件使用的可靠性，在使用过程中金属陶瓷层没有出现过掉块或剥落现象，完全满足现场安全生产的要求。
需要说明的是，以上实施例仅是为了理解本发明，本发明不限于该实施例，凡在本发明的技术方案基础上所做的技术特征的添加、等同替换或修改，均应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料，采用金属粉末制成，所述金属粉末包含金属钛粉30~60wt%、金属钨粉15~30wt%、胶体石墨粉10~20wt%、铬铁合金粉5~10wt%、钼铁合金粉2~10wt%、硼合金粉0.5~5wt%、稀土0.5~10wt%。
2.一种采用如权利要求1所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料制备的铸件，其特征在于：所述复合铸件包括基体和复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层组织。
3.如权利要求2所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合铸件，其特征在于：所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层组织包括基体相组织和分布其上的TiC、WC、（Ti，W）C颗粒相以及合金碳化物、硼化物。
4.如权利要求3所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合铸件，其特征在于：所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层中TiC颗粒体积百分数为10~50%，WC颗粒体积百分数为10~30%，（Ti，W）C颗粒相体积百分数为5~20%，其它合金碳化物、硼化物体积百分数为1~10%，其余为奥氏体基体相组织。
5.如权利要求4所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合铸件，其特征在于：所述复相颗粒增强锰钢基金属陶瓷层由表及里硬度逐渐下降，宏观硬度值范围为40~69HRC，基体为奥氏体锰钢，硬度值为19~22HRC。
6.如权利要求1-5所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料的制备方法，包括混配料、预制块成型、浇注钢液和热处理，其特征在于：所述金属陶瓷表面复合材料是在奥氏体锰钢铸件表面形成TiC／WC复相颗粒增强硬质金属陶瓷复合层，具体制备方法包括如下步骤：
（1）混配料：分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料，混合均匀；
（2）所述预制块成型：将混合均匀的粉末中加入水基胶粘剂，搅拌均匀后添入模具的型腔中，进行压制，制成一定形状的预制块，烘干；将干燥好的预制块粘结到泡沫模型需强化部位的表面上，然后涂覆防粘砂耐火涂料，干燥后，造型；
（3）所述浇注钢液：熔炼奥氏体锰钢钢液，浇注成型，高温钢液与预制块接触引发放热反应，原位生成TiC／WC复相颗粒增强金属陶瓷层的奥氏体锰钢复合铸件；
（4）所述热处理：将表面复相颗粒增强奥氏体锰钢复合铸件加热并保温固溶后进行水韧化处理。
7.如权利要求6所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中按质量百分比30％~60％：15％~30％：10％~20％：10％~25％分别称取金属钛粉末、金属钨粉末、胶体石墨粉末和合金剂进行配料。
8.如权利要求6所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，水基胶粘剂与混合粉末的质量比为1:2-30。
9.如权利要求1所述的锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述复合铸件固溶水韧化热处理方法具体包括以下步骤：
（1）先将铸件缓慢升温至，保温，使铸件受热均匀后继续加热后保温；
（2）快速淬入冷水中，入水后控制复合铸件在水中移动。
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