CN113088968B - 一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多材质梯度复合高韧性超级耐磨钢及制备方法，高韧性超级耐磨钢的表面均为磨损表面，或者由磨损表面及非磨损表面组成；磨损表面均为主要磨损表面，或者由主要磨损表面及次要磨损表面组成；所述主要磨损表面自外向内依次设有喷熔层及多元素共渗层一；所述次要磨损表面设有多元素共渗层二，所述非磨损表面不进行处理。本发明通过在基体表面增加耐磨喷熔层并将耐磨成分渗入基体的复合工艺的设计及精准控制，将金刚石、陶瓷等用冶金方法溶入到基体表面并将一部分扩散到基体内，实现多种材质梯度复合的耐磨结构，进一步了降低复合耐磨钢的生产成本，提高产品的韧性和耐磨性能，满足高端装备耐磨的需要。

Description

一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢及制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨钢生产技术领域，尤其涉及一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢及制备方法。
背景技术
耐磨钢是一种具有耐磨性能的钢，广泛用于挖掘、破碎、研磨、自卸等工况比较恶劣，尤其是接触岩石、矿料、煤炭等受磨擦、撞击、冲刷的场合，如推土机、装载机、挖掘机、自卸车及各种矿山机械，以及抓斗、堆取料机、输料机、刮板输送机等。
耐磨钢不同于工业上应用的表面渗层只有0.8～1.2mm的渗碳、渗氮和碳氮共渗钢，其耐磨层厚度达15mm以上，甚至整体都耐磨，耐磨性能是普通钢的5～10倍。
传统的耐磨钢由高锰钢经水韧处理制成(参见国家标准《耐磨钢铸件》GB/T26651-2011)，但该种耐磨钢在冲击载荷不大的工况下，由于不能充分得到加工硬化，其耐磨性无法达到使用要求且韧性一般。为此，日本、德国、瑞典、美国、澳大利亚、中国等国先后开发出低合金高强度耐磨钢，由于在钢中添加了较多的合金，使生产成大幅增加。
复合耐磨钢是为了进一步降低成本而研发的，复合耐磨钢是在普通低碳钢或者低合金钢表面，通过堆焊、熔覆、爆炸、轧制等方法复合一层高合金的耐磨层。其中，堆焊和熔覆的耐磨层主要以铬为主，同时含有锰、钼、铌、镍等金属元素。但是，由于复合过程中合金元素的收缩比不同，耐磨层表面会出现横向裂纹，不仅受力时容易脱落，弯曲和焊接性能也不好。爆炸复合和轧制复合的耐磨层为低合金高强度钢中的相关金属元素，耐磨性能不高。
上述堆焊、熔覆、爆炸复合、轧制复合的共同特点是冶金复合，耐磨层与基体之间有明显的冶金界限，耐磨层内各点的金属成分和含量相同，虽然生产成本比传统耐磨钢有所降低，但存在生产成本仍然较高、冶金结合部位易脱落、耐磨性能普遍不高和韧性较低等问题。
发明内容
本发明提供了一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢及制备方法，通过在基体表面增加耐磨喷熔层并将耐磨成分渗入基体的复合工艺的设计及精准控制，将金刚石、陶瓷等用冶金方法溶入到基体表面并将一部分扩散到基体内，实现多种材质梯度复合的耐磨结构，进一步了降低复合耐磨钢的生产成本，提高产品的韧性和耐磨性能，满足高端装备耐磨的需要。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢，所述高韧性耐磨钢的表面均为磨损表面，或者由磨损表面及非磨损表面组成；所述磨损表面均为主要磨损表面，或者由主要磨损表面及次要磨损表面组成；对于由磨损表面及非磨损表面组成的高韧性耐磨钢的表面，所述次要磨损表面位于主要磨损表面与非磨损表面之间；所述主要磨损表面自外向内依次设有喷熔层及多元素共渗层一；所述次要磨损表面设有多元素共渗层二；所述喷熔层为高碳且含金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素的复合层，并且碳、金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素在喷熔层中自外向内均布或呈下降的梯级分布，喷熔层与基体之间为冶金结合；所述多元素共渗层一为含金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素的渗层，且金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素在多元素共渗层一中自外向内呈下降的梯级分布；所述多元素共渗层二为含金刚石、碳的渗层，且金刚石、碳在多元素共渗层二中自外向内呈下降的梯级分布；所述非磨损表面不进行处理；所述喷熔层、多元素共渗层一、多元素共渗层二与基体之间均通过基体金属晶粒连接。
所述高韧性耐磨钢的基体为铸铁、铸钢或轧制钢，为普通钢或合金钢，所述合金钢包括耐磨钢，所述耐磨钢包括复合耐磨钢。
所述磨损表面为平面、曲面或复杂形状表面，位于基体的内表面、外表面或端面。
所述喷熔层的厚度为0.5～3mm，表面硬度为HRC30～78，层深每增加1毫米洛氏硬度降低0.1～3。
所述多元素共渗层一的厚度为1～16mm；多元素共渗层一的硬度为HRC30～72，层深每增加1毫米洛氏硬度降低0.5～4.6；所述多元素共渗层二的厚度为1～15mm；多元素共渗层二的硬度为HRC30～62，层深每增加1毫米洛氏硬度降低0.5～5.5。
所述高韧性耐磨钢的基体为复合耐磨钢时，多元素共渗层一、多元素共渗层二位于复合耐磨钢的冶金结合面之内或延伸至复合耐磨钢的冶金结合面之外。
所述高韧性耐磨钢的磨损表面冲击韧度为AKV＝40～62J/cm2。
所述高韧性耐磨钢为包括钢板、型钢、钢制零件及钢制构件在内的钢制品。
一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢的制备方法，包括如下步骤：
1)将用于制备高韧性耐磨钢的钢制品送入抛丸机，通过定向抛丸对待强化处理的磨损表面进行处理，使磨损表面完全露出金属原貌，实现喷熔共渗强化；所述钢制品的表面为不锈钢时，对待强化的磨损表面进行酸洗；
2)对处理后的主要磨损表面进行热喷涂，形成厚度为0.05～2.5mm的喷涂表层；喷涂物包括Al、Zn、Sn中的1种金属元素，以及C、Si、B、N、O或其同素异形体中的1～5种非金属元素或其化合物；
3)在热喷涂后的主要磨损表面上涂敷混合物涂料，混合物涂料由金属加强型陶瓷-金刚石微粉、木炭微粉和溶剂混合而成，三者的质量份比例为1：(0.5～5)：(0.5～10)；用于主要磨损表面的增碳、助渗和制造金属基金刚石喷熔层；金属加强型陶瓷-金刚石微粉和木炭微粉的粒度均为8～80nm，混合物涂料的涂敷厚度为1～70mm；
4)将涂敷混合物涂料后的钢制品送入真空加热炉，并在钢制品的磨损表面外侧填充木炭及金刚石粉末，木炭与金刚石粉末的质量份比例为1：(0.004～0.6)，用于磨损表面的增碳和渗入增强；非磨损表面的外侧不进行填充或填充石英砂用于钢制品的定位固定；
5)将钢制品加热到600～850℃，使喷涂物熔化形成熔池，并使混合物涂料中的碳、金刚石、陶瓷、金属元素及非金属元素溶于熔池金属中，制成高碳且含金刚石+陶瓷+金属元素+非金属元素的喷熔层；喷熔层中金刚石的质量百分含量为0.01％～15％，碳的质量百分含量为0.1％～0.8％；喷熔层的厚度为0.5～3mm；
6)将钢制品加热到860～1150℃，保温0.5～16小时，使喷熔层中的碳含量进一步增加0.05％～0.4％，喷熔层中的金刚石、陶瓷、金属元素和非金属元素向基体中扩散，同时将混合物涂料中的金刚石、陶瓷、金属元素及非金属元素渗入喷熔层中，并进一步向基体中扩散，在喷熔层的内侧形成多材质复合的多元素共渗层一；多元素共渗层的厚度为1～16mm；
在次要磨损表面，填充的木炭和金刚石粉末渗入基体中，形成多元素共渗层二；
非磨损表面仍与基体保持一致；
7)将红热的钢制品自真空加热炉内取出，通过常规的热处理或自然冷却，最终制成多材质梯度复合高韧性耐磨钢。
所述金属加强型陶瓷-金刚石微粉按质量份计，其组成为：金刚石微粉42～98.5份，陶瓷微粉0.5～59.5份，金属微粉0.2～10份，其它非金属微粉0.3～9.5份；所述金属微粉含Cr、V、Ni、Mo、Ti、W、Re中的1～6种金属元素，用于分散金刚石微粉、陶瓷微粉，并起到增强对应部位基体耐磨性的作用；所述其它非金属微粉含C、Si、B、N、O或其同素异形体中1～4种非金属元素或其化合物，用于增强对应部位基体的耐磨性；
所述金属加强型陶瓷-金刚石微粉的制备方法为：将金刚石微粉、陶瓷微粉、金属微粉、其它非金属微粉进行混合，并加入溶剂进行分散和冷冻干燥处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)通过在基体表面增加耐磨喷熔层并将耐磨成分渗入基体的复合工艺的设计及精准控制，将金刚石、陶瓷等用冶金方法溶入到基体表面并将一部分扩散到基体内，实现多种材质梯度复合的耐磨结构，进一步了降低耐磨钢的生产成本，提高产品的韧性和耐磨性能，满足高端装备耐磨的需要。
2)高韧性耐磨钢的基体可以是铸铁，铸钢、碳钢、合金结构钢、工具钢、模具钢、不锈钢、耐热钢等各种材质，可以制成各种形状、各种结构的工具、机械零部件，解决了传统高性能耐磨钢难以制成复杂形状的难题；
3)针对主要磨损表面、次要磨损表面及非磨损表面分别采用不同的表面处理方式，制备方式灵活，可实现精确调控，产品性能稳定，生产成本低，适用性强；
4)复合强化层可根据耐磨性要求，设计多种金属元素和非金属元素组分，进行精准喷熔共渗强化和热处理，渗层深，硬度梯度可控，韧性好，耐磨性高；
5)可设计生产厚度方向具有不同硬度梯度、表面具有不同硬度分布的多材质复合高韧性耐磨钢产品，耐磨层的厚度可调，解决了传统高性能耐磨钢难以进行切割、焊接、弯曲、扭曲、拉伸等各种大变形加工的难题以及生产成本高的问题；
6)高韧性耐磨钢产品可单独使用，也可焊接或连接在其它金属材料或构件上使用，扩大了耐磨钢的应用范围；
7)高韧性耐磨钢产品广泛用于矿山机械、采掘机械、工程机械、冶金机械、轨道交通设备、各种工具、模具；各种机械零部件、水泥机械、筑路机械、化工机械、物料输送管道等高端装备领域。
附图说明
图1a是本发明实施例1所述多材质梯度复合高韧性耐磨钢的结构示意图。
图1b是图1a的侧视图。
图2a本发明实施例2所述多材质梯度复合高韧性耐磨钢的结构示意图。
图2b是图2a的左视图。
图3a本发明实施例3所述多材质梯度复合高韧性耐磨钢的结构示意图。
图3b是图3a中的A-A视图。
图4a本发明实施例4所述多材质梯度复合高韧性耐磨钢的结构示意图。
图4b是图4a的侧视图。
图5本发明实施例5所述多材质梯度复合高韧性耐磨钢的结构示意图。
图6本发明实施例6所述多材质梯度复合高韧性耐磨钢的结构示意图。
图7本发明实施例7所述多材质梯度复合高韧性耐磨钢的结构示意图。
图8本发明实施例8所述多材质梯度复合高韧性耐磨钢的结构示意图。
图中：1.基体 11.冶金结合面 12.主要磨损表面 13.次要磨损表面 14.非磨损表面 2.多元素共渗层一 3.喷熔层 4.多元素共渗层二
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1-图8所示，本发明是一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢，所述高韧性耐磨钢的表面均为磨损表面，或者由磨损表面及非磨损表面14组成；所述磨损表面均为主要磨损表面12，或者由主要磨损表面12及次要磨损表面13组成；对于由磨损表面及非磨损表面14组成的高韧性耐磨钢的表面，所述次要磨损表面13位于主要磨损表面12与非磨损表面14之间；所述主要磨损表面12自外向内依次设有喷熔层3及多元素共渗层一2；所述次要磨损表面13设有多元素共渗层二4；所述喷熔层3为高碳且含金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素的复合层，并且碳、金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素在喷熔层3中自外向内均布或呈下降的梯级分布，喷熔层3与基体1之间为冶金结合；所述多元素共渗层一2为含金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素的渗层，且金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素在多元素共渗层一2中自外向内呈下降的梯级分布；所述多元素共渗层二4为含金刚石、碳的渗层，且金刚石、碳在多元素共渗层二4中自外向内呈下降的梯级分布；所述非磨损表面14不进行处理；所述喷熔层3、多元素共渗层一2、多元素共渗层二4与基体1之间均通过基体金属晶粒连接。
所述高韧性耐磨钢的基体为铸铁、铸钢或轧制钢，为普通钢或合金钢，所述合金钢包括耐磨钢，所述耐磨钢包括复合耐磨钢。
所述磨损表面为平面、曲面或复杂形状表面，位于基体的内表面、外表面或端面。
所述喷熔层的厚度为0.5～3mm，表面硬度为HRC30～78，层深每增加1毫米洛氏硬度降低0.1～3。
所述多元素共渗层一的厚度为1～16mm；多元素共渗层一的硬度为HRC30～72，层深每增加1毫米洛氏硬度降低0.5～4.6；所述多元素共渗层二的厚度为1～15mm；多元素共渗层二的硬度为HRC30～62，层深每增加1毫米洛氏硬度降低0.5～5.5。
所述高韧性耐磨钢的基体为复合耐磨钢时，多元素共渗层一、多元素共渗层二位于复合耐磨钢的冶金结合面之内或延伸至复合耐磨钢的冶金结合面之外。
所述高韧性耐磨钢的磨损表面冲击韧度为AKV＝40～62J/cm2。
所述高韧性耐磨钢为包括钢板、型钢、钢制零件及钢制构件在内的钢制品。
一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢的制备方法，包括如下步骤：
1)将用于制备高韧性耐磨钢的钢制品送入抛丸机，通过定向抛丸对待强化处理的磨损表面进行处理，使磨损表面完全露出金属原貌，实现喷熔共渗强化；所述钢制品的表面为不锈钢时，对待强化的磨损表面进行酸洗；
2)对处理后的主要磨损表面进行热喷涂，形成厚度为0.05～2.5mm的喷涂表层；喷涂物包括Al、Zn、Sn中的1种金属元素，以及C、Si、B、N、O或其同素异形体中的1～5种非金属元素或其化合物；
3)在热喷涂后的主要磨损表面上涂敷混合物涂料，混合物涂料由金属加强型陶瓷-金刚石微粉、木炭微粉和溶剂混合而成，三者的质量份比例为1：(0.5～5)：(0.5～10)；用于主要磨损表面的增碳、助渗和制造金属基金刚石喷熔层；金属加强型陶瓷-金刚石微粉和木炭微粉的粒度均为8～80nm，混合物涂料的涂敷厚度为1～70mm；
4)将涂敷混合物涂料后的钢制品送入真空加热炉，并在钢制品的磨损表面外侧填充木炭及金刚石粉末，木炭与金刚石粉末的质量份比例为1：(0.004～0.6)，用于磨损表面的增碳和渗入增强；非磨损表面的外侧不进行填充或填充石英砂用于钢制品的定位固定；
5)将钢制品加热到600～850℃，使喷涂物熔化形成熔池，并使混合物涂料中的碳、金刚石、陶瓷、金属元素及非金属元素溶于熔池金属中，制成高碳且含金刚石+陶瓷+金属元素+非金属元素的喷熔层；喷熔层中金刚石的质量百分含量为0.01％～15％，碳的质量百分含量为0.1％～0.8％；喷熔层的厚度为0.5～3mm；
6)将钢制品加热到860～1150℃，保温0.5～16小时，使喷熔层中的碳含量进一步增加0.05％～0.4％，喷熔层中的金刚石、陶瓷、金属元素和非金属元素向基体中扩散，同时将混合物涂料中的金刚石、陶瓷、金属元素及非金属元素渗入喷熔层中，并进一步向基体中扩散，在喷熔层的内侧形成多材质复合的多元素共渗层一；多元素共渗层的厚度为1～16mm；
在次要磨损表面，填充的木炭和金刚石粉末渗入基体中，形成多元素共渗层二；
非磨损表面仍与基体保持一致；
7)将红热的钢制品自真空加热炉内取出，通过常规的热处理或自然冷却，最终制成多材质梯度复合高韧性耐磨钢。
所述金属加强型陶瓷-金刚石微粉按质量份计，其组成为：金刚石微粉42～98.5份，陶瓷微粉0.5～59.5份，金属微粉0.2～10份，其它非金属微粉0.3～9.5份；所述金属微粉含Cr、V、Ni、Mo、Ti、W、Re中的1～6种金属元素，用于分散金刚石微粉、陶瓷微粉，并起到增强对应部位基体耐磨性的作用；所述其它非金属微粉含C、Si、B、N、O或其同素异形体中1～4种非金属元素或其化合物，用于增强对应部位基体的耐磨性；
所述金属加强型陶瓷-金刚石微粉的制备方法为：将金刚石微粉、陶瓷微粉、金属微粉、其它非金属微粉进行混合，并加入溶剂进行分散和冷冻干燥处理。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例1】
如图1a、图1b所示，本实施例中，用于制备高韧性耐磨钢的钢制品为钢板；钢板长429mm，宽127mm。钢板的基体材质为Q235钢，厚度为20mm，所制备的高韧性耐磨钢钢板的厚度为20.1mm。
本实施例中，钢板的一侧表面全部为磨损表面，且全部为主要磨损表面12。该表面具有喷熔层3及多元素共渗层一2，其中多元素共渗层一除含有基体中的C、Si、Mn、S、P元素外，还含有陶瓷、金刚石、Ti、B等，多元素共渗层一的厚度为10mm，位于基体1与喷熔层3之间，硬度为HRC41～59。喷熔层3为增铝多元素超硬层，喷熔层3中除含有多元素共渗层一中的化学元素外，还含有Al和更高含量的碳，喷熔层3的厚度为2.1mm，位于钢板磨损表面的最外层，硬度为HRC60。其余基体厚度为8mm，硬度为HRC25。
本实施例中，多材质梯度复合高韧性耐磨钢钢板的制备方法如下：
1)钢板在线抛丸，去除待处理表面的铁皮、污物，直到完全露出金属原貌；
2)为防止表面氧化生锈，抛丸后的钢板立即送入线材火焰喷涂机，对待强化处理的表面进行精准热喷铝，形成可控易渗喷涂表层，喷涂元素为铝，喷涂层厚度为0.12mm；
3)在热喷涂后的主要磨损表面上涂敷混合物涂料，混合物涂料由金属加强型陶瓷-金刚石微粉、木炭微粉和乙醇，经过球磨进行机械分散制成，三者的质量份比例为1：3：1；金属加强型陶瓷-金刚石微粉、木炭微粉的粒度均为70nm，混合物涂料的涂层厚度为33mm；
其中，金属加强型陶瓷-金刚石微粉按质量份比例计由60份的金刚石微粉、37份陶瓷微粉，1.9份的钛金属微粉，1.1份的硼微粉组成。
4)将涂敷完的钢板送入真空加热炉，并在钢板的主要磨损表面外侧填充木炭及金刚石粉末，二者的质量份比例为1：0.009；
5)将钢板加热到850℃，使喷涂层中的喷涂物熔化形成熔池，使混合物涂料中的碳、金刚石、陶瓷、金属/非金属元素溶于熔池金属中，制成高碳且含金刚石+陶瓷+金属+非金属元素的喷熔层；喷熔层中金刚石的质量百分含量为0.08％，碳的质量百分含量为0.6％；喷熔层的厚度为2.1mm；
6)将钢制品加热到960℃，保温9小时，使喷熔层中的碳含量进一步增加0.1％，使喷熔层中的金刚石、陶瓷、金属/非金属元素向基体中扩散，并将混合物涂料中的金刚石、陶瓷、金属元素及非金属元素渗入喷熔层中，并进一步向基体中扩散，在喷熔层的内层形成多元素共渗层一，多元素共渗层一的厚度为10mm；
7)将红热的钢制品自真空加热炉内取出，进行淬火+回火热处理，制成多材质梯度复合高韧性耐磨钢钢板。
本实施例中，多材质梯度复合高韧性耐磨钢钢板的冲击韧度为AKV＝51J/cm2，经切割、焊接、弯曲等加工后，制成自卸车厢板、破碎机锤头等，与采用常规耐磨板的同类构件相比，使用寿命提高1.5倍。
【实施例2】
如图2a、图2b所示，本实施例中，用于制备高韧性耐磨钢的钢制品为复合钢板；复合钢板由Q355钢与304不锈钢经轧制复合成型，不锈钢位于钢板上部。复合钢板长270mm,宽130mm，厚29mm。
本实施例中，复合钢板的一端表面为磨损表面，另一端为非磨损表面14，磨损表面中的主要磨损表面12与非磨损表面14之间为次要磨损表面13。
主要磨损表面12具有由喷熔层3及多元素共渗层一2，次要磨损表面13具有多元素共渗层二4，且多元素共渗层一2、多元素共渗层二4均延伸至不锈钢与碳钢的冶金结合面之外。非磨损表面14不经处理，与基体1的材质相同。
喷熔层3与复合钢板的基体1之间是多元素共渗层一2，其中除含有Q355钢中的C、Si、Mn、S、P元素外，还含有不锈钢中的Cr、Ni元素，以及渗入的陶瓷、金刚石及金属元素和非金属元素，多元素共渗层一2的厚度为3.5mm，硬度为HRC22～68。
本实施例中，喷熔层3为增铝多元素超硬层，喷熔层3中除含有不锈钢中的Cr、Ni元素外，还含有Zn，厚度为0.5mm。如图2a所示，喷熔层3占复合钢板一侧表面积的70％，硬度为HRC69。复合钢板的基体1硬度为HRC26。
本实施例中，多材质梯度复合高韧性耐磨钢钢板的制备方法如下：
1)对复合钢板的不锈钢表面进行酸洗，用于形成可控易渗喷熔表层；
2)喷涂元素为铝，喷涂层厚度0.11mm；
3)混合物涂料由分散后的金属加强型陶瓷-金刚石粉末、木炭微粉和乙醇组成，经过球磨进行机械分散制成，三者的质量份比例为1：4.5：1.5；混合物涂料中金属加强型陶瓷-金刚石微粉、木炭微粉的粒度均为60nm，混合物涂料的涂层厚度为50mm；
其中，金属加强型陶瓷-金刚石微粉按质量份比例计由69份的金刚石微粉、30份陶瓷微粉，0.9份的钛金属微粉，0.1份的三氧化二铝微粉组成。
4)将涂敷完的复合钢板送入真空加热炉，并在复合钢板的主要磨损表面外侧填充木炭及金刚石粉末，木炭与金刚石粉末的质量份比例为1：0.01；
5)将复合钢板加热到900℃，使喷涂层中的喷涂物熔化形成熔池，并使混合物涂料中的碳、金刚石、陶瓷和金属元素、非金属元素溶于熔池中，制成高碳且含金刚石+陶瓷+金属元素+非金属元素的喷熔层；喷熔层中金刚石的质量百分含量为0.1％，碳的质量百分含量为0.4％；喷熔层的厚度为0.11mm；
6)将复合钢板加热到1000℃，保温12小时，使喷熔层中的碳含量进一步增加0.01％，使喷熔层中的金刚石、陶瓷、金属元素和非金属元素向基体扩散，并使混合物涂料中的金刚石、陶瓷、金属元素及非金属元素渗入喷熔层中，并透过冶金结合面，进入Q355钢板基体中，在喷熔层的内侧形成多材质复合的多元素共渗层一；多元素共渗层一的厚度为5mm；在次要磨损表面，填充的木炭和金刚石粉末渗入基体中，形成多元素共渗层二；多元素共渗层二的厚度为4mm。
7)将复合钢板从真空加热炉内取出，空冷，制成多材质梯度复合高韧性耐磨钢复合钢板。
本实施例中，多材质梯度复合高韧性耐磨钢复合钢板的冲击韧度为AKV＝56J/cm2，对该复合不锈钢高韧性耐磨板进行上表面打磨，制成高铁岔轨滑床，与采用常规复合耐磨板的同类构件相比，使用寿命提高2.5倍。
【实施例3】
如图3a、图3b所示，本实施例中，用于制备高韧性耐磨钢的钢制品为圆柱形冲头；圆柱形冲头的材质为H13工具钢。
圆柱形冲头的一端为锥面，该锥面全部为主要磨损表面12，主要磨损表面12与非磨损表面14之间通过次要磨损表面13过渡；通过本发明所述工艺方法在该主要磨损表面12制备喷熔层3，喷熔层3与基体1之间由多元素共渗层一2过渡，与采用常规耐磨板的同类冲头相比，使用寿命提高1.6倍。
【实施例4】
如图4a、图4b所示，本实施例中，用于制备高韧性耐磨钢的钢制品为套筒；套筒的材质为渗C热作模具钢。
套筒内表面一端的局部为主要磨损表面12，内表面的其余部位为次要磨损表面13；套筒外表面为非磨损表面14，主要磨损表面12与基体1之间通过次要磨损表面13过渡；通过本发明所述工艺方法在该主要磨损表面12制备喷熔层3，喷熔层3与基体1之间由多元素共渗层一2过渡，与采用常规耐磨板的同类零件相比，使用寿命提高2.2倍。
【实施例5】
如图5所示，本实施例中，用于制备高韧性耐磨钢的钢制品为一侧设有凹槽的U形零件；U形零件的材质为铸铁。
U形零件上凹槽的内表面为主要磨损表面12，与凹槽相对的另一侧面上有2个局部表面为主要磨损表面12，其余为次要磨损表面13；U形零件的上表面和下表面为非磨损表面14。主要磨损表面12与基体1之间通过次要磨损表面13过渡。
通过本发明所述工艺方法在3处主要磨损表面12制备喷熔层3，喷熔层3与基体1之间由多元素共渗层一2过渡；同时在次要磨损表面13制备多元素共渗层二4；非磨损表面不经处理。与采用常规耐磨板的同类零件相比，使用寿命提高1.7倍。
【实施例6】
如图6所示，本实施例中，用于制备高韧性耐磨钢的钢制品为外侧设有多个球形凹槽的轴承内圈；轴承内圈的材质为轴承钢。
轴承内圈外侧与滚珠直接接触的多个球形凹槽内表面为主要磨损表面12，其余表面为非磨损表面14；通过本发明所述工艺方法在主要磨损表面12制备喷熔层3，喷熔层3与基体1之间由多元素共渗层一2过渡，与采用常规耐磨板的同类零件相比，使用寿命提高1.5倍。
【实施例7】
如图7所示，本实施例中，用于制备高韧性耐磨钢的钢制品为立磨锥形辊；锥形辊的材质为复合铸钢。
锥形辊的外表面为主要磨损表面12，其余表面为非磨损表面14。通过本发明所述工艺方法在主要磨损表面制备喷熔层3，喷熔层3与基体1之间由多元素共渗层一2过渡，与采用常规耐磨板的同类零件相比，使用寿命提高2.2倍。
【实施例8】
如图8所示，本实施例中，用于制备高韧性耐磨钢的钢制品为弧形板；弧形板为高锰钢铸件。
弧形板的下表面全部为主要磨损表面12。
本实施例中，通过本发明所述工艺方法对主要磨损表面12制备喷熔层3，喷熔层3与基体1之间由多元素共渗层一2过渡，表面硬度达HRC69以上，与采用常规耐磨板的同类零件相比，使用寿命提高2.3倍。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢的制备方法，其特征在于，所述高韧性耐磨钢的表面均为磨损表面，或者由磨损表面及非磨损表面组成；所述磨损表面均为主要磨损表面，或者由主要磨损表面及次要磨损表面组成；对于由磨损表面及非磨损表面组成的高韧性耐磨钢的表面，所述次要磨损表面位于主要磨损表面与非磨损表面之间；
所述制备方法包括如下步骤：
1）将用于制备高韧性耐磨钢的钢制品送入抛丸机，通过定向抛丸对待强化处理的磨损表面进行处理，使磨损表面完全露出金属原貌，实现喷熔共渗强化；所述钢制品的表面为不锈钢时，对待强化的磨损表面进行酸洗；
2）对处理后的主要磨损表面进行热喷涂，形成厚度为0.05～2.5mm的喷涂表层；喷涂物包括Al、Zn中的1种金属元素，以及C、Si、B、N、O中的1～5种非金属元素或其化合物；
3）在热喷涂后的主要磨损表面上涂敷混合物涂料，混合物涂料由金属加强型陶瓷-金刚石微粉、木炭微粉和溶剂混合而成，三者的质量份比例为1：（0.5～5）：（0.5～10）；用于主要磨损表面的增碳、助渗和制造金属基金刚石喷熔层；金属加强型陶瓷-金刚石微粉和木炭微粉的粒度均为8～80nm，混合物涂料的涂敷厚度为1～70mm；
所述金属加强型陶瓷-金刚石微粉按质量份计，其组成为：金刚石微粉42～98.5份，陶瓷微粉 0.5～59.5份，金属微粉 0.2～10份，其它非金属微粉0.3～9.5份；所述金属微粉含Cr、V、Ni、Mo、Ti、W、Re中的1～6种金属元素，用于分散金刚石微粉、陶瓷微粉，并起到增强对应部位基体耐磨性的作用；所述其它非金属微粉含C、Si、B、N、O中1～4种非金属元素或其化合物，用于增强对应部位基体的耐磨性；所述金属加强型陶瓷-金刚石微粉的制备方法为：将金刚石微粉、陶瓷微粉、金属微粉、其它非金属微粉进行混合，并加入溶剂进行分散和冷冻干燥处理；
4）将涂敷混合物涂料后的钢制品送入真空加热炉，并在钢制品的磨损表面外侧填充木炭及金刚石粉末，木炭与金刚石粉末的质量份比例为1：(0.004～0.6)，用于磨损表面的增碳和渗入增强；非磨损表面的外侧不进行填充或填充石英砂用于钢制品的定位固定；
5）将钢制品加热到600～850℃，使喷涂物熔化形成熔池，并使混合物涂料中的木炭、金刚石、陶瓷、金属及其它非金属溶于熔池金属中，制成高碳且含金刚石、陶瓷、金属元素及非金属元素的喷熔层；喷熔层中金刚石的质量百分含量为0.01%～15%，碳的质量百分含量为0.1%～0.8%；喷熔层的厚度为0.5～3mm；
6）将钢制品加热到860～1150℃，保温0.5～16小时，使喷熔层中的碳含量进一步增加0.05%～0.4%，喷熔层中的金刚石、陶瓷、金属元素和非金属元素向基体中扩散，同时将混合物涂料中的金刚石、陶瓷、金属元素及非金属元素渗入喷熔层中，并进一步向基体中扩散，在喷熔层的内侧形成多材质复合的多元素共渗层一；多元素共渗层的厚度为1～16mm；
在次要磨损表面，填充的木炭和金刚石粉末渗入基体中，形成多元素共渗层二；
非磨损表面仍与基体保持一致；
7）将红热的钢制品自真空加热炉内取出，通过常规的热处理或自然冷却，最终制成多材质梯度复合高韧性耐磨钢。
2.采用如权利要求1所述一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢的制备方法制备的多材质梯度复合高韧性耐磨钢，其特征在于，所述高韧性耐磨钢的表面均为磨损表面，或者由磨损表面及非磨损表面组成；所述磨损表面均为主要磨损表面，或者由主要磨损表面及次要磨损表面组成；对于由磨损表面及非磨损表面组成的高韧性耐磨钢的表面，所述次要磨损表面位于主要磨损表面与非磨损表面之间；所述主要磨损表面自外向内依次设有喷熔层及多元素共渗层一；所述次要磨损表面设有多元素共渗层二；所述喷熔层为高碳且含金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素的复合层，并且碳、金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素在喷熔层中自外向内均布或呈下降的梯级分布，喷熔层与基体之间为冶金结合；所述多元素共渗层一为含金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素的渗层，且金刚石、陶瓷、多种金属元素及非金属元素在多元素共渗层一中自外向内呈下降的梯级分布；所述多元素共渗层二为含金刚石、碳的渗层，且金刚石、碳在多元素共渗层二中自外向内呈下降的梯级分布；所述非磨损表面不进行处理。
3.根据权利要求2所述的一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢，其特征在于，所述高韧性耐磨钢的基体为普通钢或合金钢。
4.根据权利要求2所述的一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢，其特征在于，所述磨损表面为平面、曲面或复杂形状表面，位于基体的内表面、外表面或端面。
5.根据权利要求2所述的一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢，其特征在于，所述喷熔层的厚度为0.5～3mm，表面硬度为HRC30～78，层深每增加1毫米洛氏硬度降低 0.1～3。
6.根据权利要求2所述的一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢，其特征在于，所述多元素共渗层一的厚度为1～16mm；多元素共渗层一的硬度为HRC30～72，层深每增加1毫米洛氏硬度降低 0.5～4.6；所述多元素共渗层二的厚度为1～15mm；多元素共渗层二的硬度为HRC30～62，层深每增加1毫米洛氏硬度降低 0.5～5.5。
7.根据权利要求2所述的一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢，其特征在于，所述高韧性耐磨钢的磨损表面冲击韧度为AKV=40～62J/cm²。
8.根据权利要求2所述的一种多材质梯度复合高韧性耐磨钢，其特征在于，所述高韧性耐磨钢为包括钢制零件及钢制构件在内的钢制品。
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