CN112570686A - 一种优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，包括获取碳化钨颗粒增强铁基复合材料，其碳化钨颗粒增强铁基复合材料包括复合层；将制备好的复合层加工成特定形状，并车光，清洗表面，然后将所述复合层放置模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1至14:1，浇铸温度为1748‑1848k，实现45钢液和复合层的冶金结合，制备所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料；将所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1138‑1218k，保温20‑60min，空冷，回火温度为798‑998k，保温1‑3h，空冷。该技术方案制备的复合材料耐磨性能好，表面形貌质量高，致密度高，耐磨层厚度均匀，使用要求不受限制。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨复合材料制备领域，尤其涉及一种优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法。
背景技术
在工业生产及日常生活中，不同物体之间发生摩擦进而产生磨损现象是普遍存在的。比如盾构刀具、矿山机械、农业机械以及掘进设备中的一些零部件易受到土壤、砂石、矿石等各种研磨体和物料的磨损，每年要损耗大量耐磨材料。日常生活中的一些工具如手机、电脑和手表等外壳易受划伤，也需要一定的耐磨性能。近二十年来，发达国家对机电设备的摩擦磨损状况调查的结果令人震惊，每年因磨损失效而造成的损失约上千亿美元，我国因磨损而消耗的耐磨钢铁件达200万吨。因此，研究如何提高材料表面的耐磨性能、从而提高零部件的使用寿命具有重要的经济意义和社会意义。由于具有高温耐磨性能和良好的韧性，碳化钨颗粒增强铁基复合材料逐渐作为耐磨材料应用于工业领域。
目前，制备碳化钨颗粒增强铁基复合材料的方法有无压铸渗法、压力铸渗法、负压铸渗法以及离心铸渗法等，这些方法所制备的复合材料虽然提高了材料表面的耐磨性能，但是复合层的表面形貌质量差、厚度小且不均匀、致密度低等，限制了使用要求。
发明内容
为此，本发明提供一种优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，可以有效解决现有技术中的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，包括：获取碳化钨颗粒增强铁基复合材料，所述碳化钨颗粒增强铁基复合材料包括复合层；将制备好的复合层加工成特定形状，并车光，清洗表面，然后将所述复合层放置模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1至14:1，浇铸温度为1748k-1848k，实现45钢液和复合层的冶金结合，制备碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料；将所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1138-1218k，保温20-60min，空冷，回火温度为798-998k，保温1-3h，空冷。
进一步地，所述获取碳化钨颗粒增强铁基复合材料主要是通过控制碳含量来优化碳化钨颗粒与基体界面，进而制备具有优异耐磨性能的碳化钨颗粒增强铁基复合材料，包括以下步骤：粉末准备：按照计算的成分称重碳化钨颗粒和混合粉；混粉：将所述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨，使所述碳化钨颗粒与所述混合粉混合均匀；放电等离子烧结：将所述混合均匀的粉末装入石墨磨具内，采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结，将所述混合均匀的粉末进行烧结致密化处理。
进一步地，，所述将所述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨时球磨机与粉末的质量比为8:1至12:1，球磨速度为200-400rad/min，球磨时间为1-3h。
进一步地，所述采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结的烧结温度为1268-1298k，烧结压力为40-60MPa，烧结保温时间为4-6min。
进一步地，所述碳化钨颗粒的尺寸选取20-30μm。
进一步地，所述碳化钨颗粒含量选取25vol％-42vol％。
进一步地，所述混合粉包括97-98wt％的纯铁粉末、0.8-2.4wt％的碳和1-2wt％的铜粉。
进一步地，所述碳化钨颗粒加入所述混合粉的方法采用原位合成法。
进一步地，所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料包括碳化钨颗粒、碳化钨与基体界面、表层复合层、过渡层和基材，所述过渡层包括宏观界面。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提出的一种优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法是通过控制碳含量来优化碳化钨颗粒与基体界面，进而制备具有优异耐磨性能的碳化钨颗粒增强铁基复合材料。然后将碳化钨颗粒增强铁基复合材料中的复合层加工成特定形状，并车光，清洗表面，并放置模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1至14:1，浇铸温度为1748k-1848k，实现45钢液和复合层的冶金结合，其中浇铸量和复合层质量比为10:1至14:1时，复合层几乎不受高温影响，得到良好的界面组织，从而能够提高碳化钨颗粒增强铁基复合材料的耐磨性能，其耐磨性能远超过马氏体耐磨钢。碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1178k，保温40min，空冷，回火温度为898k，保温2h，空冷，使得45钢液达到最佳的使用性能且耐磨层的性能没有降低。与现有技术相比，使用该技术方案制备的复合材料耐磨性能好，表面形貌质量高，致密度高，耐磨层厚度均匀，使用要求不受限制。
进一步地，碳化钨颗粒和混合粉放入球磨机中进行球磨，使碳化钨颗粒和混合粉混合均匀，然后将混合均匀的粉末放入石墨磨具内采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结，从而可以得到放电等离子烧结工艺制备的碳化钨颗粒增强铁基复合材料，放电等离子烧结工艺具有烧结时间短、烧结温度低等特点，制备的复合材料分布均匀并保持原始形态，可有效防止制备过程中碳化钨颗粒的溶解，从而能够节省时间，节约能源，提高碳化钨颗粒增强铁基复合材料的耐磨性能。
附图说明
图1为本发明所述优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法的流程示意图；
图2为本发明所述碳化钨颗粒增强铁基复合材料结构示意图；
图3为本发明所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料不同烧结温度下的致密度与硬度。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，其为本发明所述优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法流程示意图，本发明提供一种优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，包括：获取碳化钨颗粒增强铁基复合材料，所述碳化钨颗粒增强铁基复合材料包括复合层；将制备好的复合层加工成特定形状，并车光，清洗表面，然后将所述复合层放置模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1至14:1，浇铸温度为1748k-1848k，实现45钢液和复合层的冶金结合，制备碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料，其中浇铸量和复合层质量比为10:1至14:1时，复合层几乎不受高温影响，得到良好的界面组织，所述将制备好的复合层加工成特定形状根据制备复合材料的实际情况有所变化，所述车光指的是将加工成特定形状的复合层打磨干净，消除残留的氧化层；将所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1138-1218k，保温20-60min，空冷，回火温度为798-998k，保温1-3h，空冷，所述热处理工艺使得45钢液达到最佳的使用性能且耐磨性能没有降低，其中淬火温度1178k，保温40min，空冷，回火温度为898k，保温2h，空冷为最优热工艺处理条件。本发明实施例中的碳化钨增强铁基复合材料中的复合层制备好之后加工成特定形状，并车光，清洗表面，然后放置在模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1至14:1，浇铸温度为1748k-1848k，实现45钢液和复合层的冶金结合，制备碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料，然后，将制备好的碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1138-1218k，保温20-60min，空冷，回火温度为798-998k，保温1-3h，空冷，从而能够通过优化浇铸工艺来得到良好的界面组织，通过热处理工艺使得45钢液达到最佳的使用性能且耐磨性能没有降低，进而能够提高碳化钨颗粒增强铁基复合材料的耐磨性能，其耐磨性能远超过马氏体耐磨钢，与现有技术相比，使用该技术方案制备的复合材料耐磨性能好，表面形貌质量高，致密度高，耐磨层厚度均匀，使用要求不受限制。
具体而言，所述获取碳化钨颗粒增强铁基复合材料主要是通过控制碳含量来优化碳化钨颗粒与基体界面，进而制备具有优异耐磨性能的碳化钨颗粒增强铁基复合材料，包括以下步骤：1)粉末准备：按照计算的成分称重碳化钨颗粒和混合粉；2)混粉：将所述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨，使所述碳化钨颗粒与所述混合粉混合均匀；3)放电等离子烧结：将所述混合均匀的粉末装入石墨磨具内，采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结，将所述混合均匀的粉末进行烧结致密化处理，所述放电等离子烧结工艺具有烧结时间短、烧结温度低等特点，制备的复合材料颗粒分布均匀并保持原始形态，可有效的防止制备过程中碳化钨颗粒的溶解，所述进行烧结致密化处理是为了使所述碳化钨颗粒和所述混合粉充分反应。本发明实施例中的碳化钨颗粒和混合粉放入球磨机中进行球磨，使碳化钨颗粒和混合粉混合均匀，然后将混合均匀的粉末放入石墨磨具内采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结，从而可以得到放电等离子烧结工艺制备的碳化钨颗粒增强铁基复合材料，放电等离子烧结工艺具有烧结时间短、烧结温度低等特点，制备的复合材料分布均匀并保持原始形态，可有效防止制备过程中碳化钨颗粒的溶解，从而能够节省时间，节约能源，提高碳化钨颗粒增强铁基复合材料的耐磨性能。
具体而言，所述将所述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨时球磨机与粉末的质量比为8:1至12:1，球磨速度为200-400rad/min，球磨时间为1-3h，其中质量比为10:1，球磨速度为300rad/min，球磨时间为2h为最优球磨条件。采用该质量比、球磨速度和球磨时间能够使碳化钨颗粒和混合粉快速混合均匀，从而能够节省球磨的时间、提供制备的整体效率。
具体而言，所述采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结的烧结温度为1268-1298k，烧结压力为40-60MPa，烧结保温时间为4-6min，其中烧结温度为1278k，烧结压力为50MPa，烧结保温时间为5min为最优放电等离子烧结条件。烧结温度为1278k时，碳化钨颗粒增强铁基复合材料的致密度最高，硬度最大(图3)，从而使得采用该烧结温度使得制备的碳化钨颗粒增强铁基复合材料的相对磨损率低，相对磨损率低的复合材料耐磨性能好，采用该烧结压力和烧结保温时间能够使各种粉末更好的进行致密化处理，从而能够提高碳化钨颗粒增强铁基复合材料的耐磨性能。
具体而言，所述碳化钨颗粒的尺寸选取20-30μm，其中碳化钨颗粒的尺寸选取25μm为最优尺寸，该尺寸的碳化钨颗粒制备的复合材料具有优异的的耐磨性能。
具体而言，所述碳化钨颗粒含量选取25vol％-42vol％。该含量范围的碳化钨颗粒制备的复合材料具有优异的耐磨性能，且耐磨性能在该含量范围内变化不大。
具体而言，所述混合粉包括97-98wt％的纯铁粉末、0.8-2.4wt％的碳和1-2wt％的铜粉，其中纯铁粉末为97.5wt％、碳为0.8-2.4wt％的和铜粉为1.5wt％的混合粉为最佳混合粉，所述wt％是重量(质量)百分数的单位，表示重量比及一种物质占混合物的比重。加入0.8-2.4wt％的碳是为了有效控制碳化钨颗粒和基体两相界面，进而有效的提高复合材料的性能。铜的熔点是1318k，可以降低材料的烧结温度，烧结时液体铜具有良好的流动性，能够提高合金元素的扩散，促进纯铁粉末填充碳化钨颗粒之间的孔隙，进而提高复合材料的致密度，从而能够在保证碳化钨颗粒增强铁基复合材料的综合性能的前提下得到致密的复合层3。
具体而言，所述碳化钨颗粒加入所述混合粉的方法采用原位合成法。所述原位合成法原位合成碳化钨颗粒增强铁基复合材料的硬度较高失重较少，能够提高复合材料的耐磨性能。
具体而言，所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料包括碳化钨颗粒1、碳化钨与基体界面2、表层复合层3、过渡层4和基材5(图2)，所述过渡层4包括宏观界面。该表层复合层3的耐磨性能相比于一般的复合层耐磨性能更好。
实施例1
本发明实施例通过控制碳化钨颗粒增强铁基复合材料中碳含量以及优化浇铸工艺来达到优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面，其制备方法如下：
1)粉末准备：按照计算的成分称重尺寸为25μm和含量为32vol％碳化钨颗粒，并加入了0.8wt％的碳和1.5wt％的铜粉的混合粉；
2)混粉：将上述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨，球磨机与粉末的质量比为10:1，球磨速度为300rad/min，球磨时间为2h，将所述混合粉与所述碳化钨颗粒混合均匀；
3)放电等离子烧结：将上述混合均匀的粉末装入石墨磨具内，采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结工艺，烧结温度为1278k，烧结压力为50MPa，烧结保温时间为5min，对所述混合均匀的粉末进行烧结致密化处理；进而得到复合层；
4)浇铸：将制备好的复合层加工成特定形状，并车光，清洗表面，然后将复合层放置模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1，浇铸温度为1776k，实现45钢液和复合层的冶金结合；进而得到碳化钨颗粒增强铁基复合材料；
5)热处理：将碳化钨颗粒增强铁基复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1178k，保温40min，空冷，回火温度为898k，保温2h，空冷。
采用销-盘摩擦磨损试验方式对上述碳化钨颗粒增强铁基复合材料与马氏体耐磨钢以及45钢的耐磨性能进行对比，发现上述碳化钨颗粒增强铁基复合材料的耐磨性能优于马氏体耐磨钢的耐磨性能。
实施例2
本发明实施例通过控制碳化钨颗粒增强铁基复合材料中碳含量以及优化浇铸工艺来达到优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面，其制备方法如下：
1)粉末准备：按照计算的成分称重尺寸为25μm和含量为32vol％碳化钨颗粒，并加入了1.6wt％的碳和1.5wt％的铜粉的混合粉；
2)混粉：将上述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨，球磨机与粉末的质量比为10:1，球磨速度为300rad/min，球磨时间为2h，将所述混合粉与所述碳化钨颗粒混合均匀；
3)放电等离子烧结：将上述混合均匀的粉末装入石墨磨具内，采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结工艺，烧结温度为1278k，烧结压力为50MPa，烧结保温时间为5min，对所述混合均匀的粉末进行烧结致密化处理；进而得到复合层；
4)浇铸：将制备好的复合层加工成特定形状，并车光，清洗表面，然后将复合层放置模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1，浇铸温度为1798k，实现45钢液和复合层的冶金结合；进而得到碳化钨颗粒增强铁基复合材料；
5)热处理：将碳化钨颗粒增强铁基复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1178k，保温40min，空冷，回火温度为898k，保温2h，空冷。
采用销-盘摩擦磨损试验方式对上述碳化钨颗粒增强铁基复合材料与马氏体耐磨钢以及45钢的耐磨性能进行对比，发现上述碳化钨颗粒增强铁基复合材料的耐磨性能优于马氏体耐磨钢的耐磨性能。
实施例3
本发明实施例通过控制碳化钨颗粒增强铁基复合材料中碳含量以及优化浇铸工艺来达到优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面，其制备方法如下：
1)粉末准备：按照计算的成分称重尺寸为25μm和含量为32vol％碳化钨颗粒，并加入了2.4wt％的碳和1.5wt％的铜粉的混合粉；
2)混粉：将上述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨，球磨机与粉末的质量比为10:1，球磨速度为300rad/min，球磨时间为2h，将所述混合粉与所述碳化钨颗粒混合均匀；
3)放电等离子烧结：将上述混合均匀的粉末装入石墨磨具内，采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结工艺，烧结温度为1278k，烧结压力为50MPa，烧结保温时间为5min，对所述混合均匀的粉末进行烧结致密化处理；进而得到复合层；
4)浇铸：将制备好的复合层加工成特定形状，并车光，清洗表面，然后将复合层放置模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1，浇铸温度为1848k，实现45钢液和复合层的冶金结合；进而得到碳化钨颗粒增强铁基复合材料；
5)热处理：将碳化钨颗粒增强铁基复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1178k，保温40min，空冷，回火温度为898k，保温2h，空冷。
采用销-盘摩擦磨损试验方式对上述碳化钨颗粒增强铁基复合材料与马氏体耐磨钢以及45钢的耐磨性能进行对比，发现上述碳化钨颗粒增强铁基复合材料的耐磨性能优于马氏体耐磨钢的耐磨性能。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，包括：
获取碳化钨颗粒增强铁基复合材料，所述碳化钨颗粒增强铁基复合材料包括复合层；
将制备好的复合层加工成特定形状，并车光，清洗表面，然后将所述复合层放置模具中，浇铸45钢液，浇铸量和复合层质量比为10:1至14:1，浇铸温度为1748k-1848k，实现45钢液和复合层的冶金结合，制备碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料；
将所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料进行热处理工艺，淬火温度为1138-1218k，保温20-60min，空冷，回火温度为798-998k，保温1-3h，空冷。
2.根据权利要求1所述的优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，所述获取碳化钨颗粒增强铁基复合材料主要是通过控制碳含量来优化碳化钨颗粒与基体界面，进而制备具有优异耐磨性能的碳化钨颗粒增强铁基复合材料，包括以下步骤：
粉末准备：按照计算的成分称重碳化钨颗粒和混合粉；
混粉：将所述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨，使所述碳化钨颗粒与所述混合粉混合均匀；
放电等离子烧结：将所述混合均匀的粉末装入石墨磨具内，采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结，将所述混合均匀的粉末进行烧结致密化处理。
3.根据权利要求2所述的优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，所述将所述各种粉末放入球磨机的混粉罐中进行球磨时球磨机与粉末的质量比为8:1至12:1，球磨速度为200-400rad/min，球磨时间为1-3h。
4.根据权利要求2所述的优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，所述采用放电等离子烧结设备进行放电等离子烧结的烧结温度为1268-1298k，烧结压力为40-60MPa，烧结保温时间为4-6min。
烧结温度为1278k，烧结压力为50MPa，烧结保温时间为5min。
5.根据权利要求2所述的优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，所述碳化钨颗粒的尺寸选取20-30μm。
6.根据权利要求2所述的优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，所述碳化钨颗粒含量选取25vol％-42vol％。
7.根据权利要求2所述的优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，所述混合粉包括97-98wt％的纯铁粉末、0.8-2.4wt％的碳和1-2wt％的铜粉。
8.根据权利要求2所述的优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，所述碳化钨颗粒加入所述混合粉的方法采用原位合成法。
9.根据权利要求1所述的优化碳化钨颗粒增强铁基复合材料界面方法，其特征在于，所述碳化钨颗粒增强铁基表层复合材料包括碳化钨颗粒、碳化钨与基体界面、表层复合层、过渡层和基材，所述过渡层包括宏观界面。
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| US4024902A (en) * | 1975-05-16 | 1977-05-24 | Baum Charles S | Method of forming metal tungsten carbide composites |
| CN102071360A (zh) * | 2011-01-14 | 2011-05-25 | 华南理工大学 | 一种碳化钨颗粒增强的铁基粉末冶金材料及其制备方法 |
| CN106367661A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-02-01 | 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 | 一种颗粒增强铁基表面复合材料的制备方法 |
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-
2020
- 2020-10-23 CN CN202011143231.XA patent/CN112570686A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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