CN113106318B - 一种wc预制体结构增强铁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢基复合材料技术领域，具体涉及一种WC预制体结构增强铁基复合材料及其制备方法，该材料包括包括50wt％的WC颗粒、40wt％的Ni粉以及10wt％的Ni60颗粒；WC颗粒的粒径为150‑180μm；Ni粉的粒径为48‑53μm；Ni60颗粒的粒径为60‑90μm，基体材料为高铬铸铁；该材料是通过先将WC颗粒、Ni粉、Ni60颗粒放入真空球磨罐中进行真空球磨，再将粉末在粉末压片机上进行压制成形，然后将压制成形的预制坯放入真空管式炉中，通入氩气进行保护烧结，再制成预制体柱，最后将预制柱体以一定间距均匀错排放置到预先做好的型腔中，浇注高铬铸铁金属液进行固‑液复合。相比较现有技术，在高铬铸铁中加入WC预制体结构增强铁基复合材料的性能得到了显著的提升，提高断裂韧性，综合提升复合材料的耐磨性能。

Description

一种WC预制体结构增强铁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于钢基复合材料技术领域，具体涉及一种WC预制体结构增强铁基复合材料及其制备方法。
背景技术
我们国家的稀土种类与含量及钢铁资源非常的丰富，现如今稀土广泛的应用于钢铁材料、合金材料及金属基复合材料之中。研究发现，在金属基复合材料中，由于稀土元素电负性较低(La元素为1.1，Ce元素为1.12，Y元素为1.22。常见的基体金属Fe的电负性为1.83，Ni为1.91)，因而稀土元素在冶炼过程中将优先吸附于金属基体和增强相的晶界上，降低其界面能，增加界面的黏附功，减小润湿角，从而提高基体与增强相的润湿性。其次，稀土作为活性元素，在烧结、喷涂等冶金过程中还可能与增强相反应生成界面能低的化合物，起到“反应润湿”的效果。由于稀土元素与O、S、P、N等元素具有较强的亲和力，其氧化物、硫化物、磷化物和氮化物的标准生成自由能较低，这些化合物熔点较高且密度小，部分可以从合金液中上浮而去除，部分均匀地分布在晶内，减少了杂质在晶界上的偏聚，从而净化晶界，提高晶界强度。
陶瓷颗粒增强钢基复合材料的界面反应区是在热作用下陶瓷颗粒发生熔解并与基体反应形成界面相的过程。前期研究发现WC/钢复合材料的界面相为Fe3W3C，则其形成类似于通过反应烧结的方法形成新的陶瓷相。在烧结过程中，由于稀土的离子半径相对Fe、W、C较大，难于与界面相形成固溶体，其存在于界面相的晶界上，阻碍其他离子的迁移，降低晶界迁移速率，抑制晶粒生长，细化界面组织，提高界面反应区的韧性等性能，其可以降低界面处裂纹产生和拓展的可能性，从而提高复合材料的力学性能。综上，需要解决基于陶瓷颗粒表面稀土分散附着预处理下，WC颗粒增强钢基复合材料的真空烧结制备的问题。例如如下现有技术：
CN1116248A公开了一种含稀土及其氧化物的碳化钨基硬质合金，加入Ta、La、Nd、Y等稀土元素及其氧化物，采用湿磨的方法球磨24-120h,用冷等静压机压制成型后放入高温真空炉中烧结成型，以求应用在制造金刚石的顶锤上。此方法放宽了顶锤的工艺要求的同时提高了其使用寿命。但湿磨过程中球磨罐不能采取真空环境，化学性质极其活泼的稀土元素以及WC颗粒极易在球磨过程中氧化，而长时间的球磨过程中小钢珠的碰撞使稀土元素和WC颗粒的能量升高，进一步加剧了氧化，造成球磨质量下降。
CN108746636A公开一种稀土调控颗粒微观界面生长的碳化钨-钢基复合材料，加入Nd、Y、Ta中的任意一种或几种的混合物，稀土元素的含量为2-5％，采用干磨的球磨方法，球磨24-48h，将稀土元素附着在WC颗粒表面，再用粉末压片机压制成WC颗粒增强钢基表层复合材料，进行高温真空烧结。由于球磨时间过长及未采用间歇式球磨法，从而会导致WC颗粒破碎及结块，且制备周期长；稀土附着WC颗粒表面时未使用粘结剂，从而会导致稀土附着不牢靠，同时由于稀土使用量大，导致稀土元素过多，在材料中成为杂质，影响材料的综合性能，因此浪费稀土材料，提高成本。制备周期过长，成本高的缺点限制了材料的应用。
发明内容
本发明意在提供一种WC预制体结构增强铁基复合材料及其制备方法，综合提升复合材料的耐磨性能。
为了达到上述目的，本发明的方案为：一种WC预制体结构增强铁基复合材料，WC预制体原料按重量分数计，包括50wt％的WC颗粒、40wt％的Ni粉以及10wt％的Ni60颗粒；WC颗粒的粒径为150-180μm；Ni粉的粒径为48-53μm；Ni60颗粒的粒径为60-90μm，基体材料为高铬铸铁。
本方案的技术原理及有益效果在于：相比较现有技术中只采用传统的高铬铸铁的耐磨性能，在高铬铸铁中加入WC预制体结构增强铁基复合材料的性能得到了显著的提升，与片层状设计的WC陶瓷颗粒增强铁基复合材料相比，预制体经过烧结后具有较高强度，不易被高温基体金属液烧损，并且预制体结构设计中增强预制体周围有足够的未增强基体区域，通过基体的塑性变形能很好地吸收能量，提高断裂韧性，综合提升复合材料的耐磨性能。
上述复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)：将WC颗粒、Ni粉、Ni60颗粒放入真空球磨罐中进行真空球磨，球磨时间4h；
(2)：将步骤(1)中混合好的粉末在粉末压片机上进行压制成形，压力为500-600MPa，保压时间为10-15min；
(3)：将步骤(2)中压制成形的预制坯放入真空管式炉中，通入氩气进行保护烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为60min；
(4)：将步骤(3)中烧结后的预制坯进行加工，制成若干直径为5mm、7.5mm以及10mm高度为15mm的预制体柱；
(5)：将步骤(4)中加工的直径为5mm、7.5mm以及10mm的预制体柱分别按10mm、15mm以及20mm柱间距均匀错排放置到预先做好的型腔中，浇注高铬铸铁金属液进行固-液复合，浇注温度为1550℃。
本方案的技术原理和有益效果在于：
1、步骤(1)通过将WC颗粒、Ni粉以及Ni60颗粒在真空环境下进行球磨，这样有助于在进行球磨时，避免由于氧气存在使得粉末氧化，其次在球磨过程中，每个磨程之间停留10分钟也有助于降低温度，避免发生粉末结块现象。
2、步骤(2)粉末压制成形过程中采用两次不同升压压制有助于粉末的压制成形，最终得到的预制坯形状完好，避免产生裂纹及掉边的现象。
3、步骤(3)在真空管式炉中通入氩气进行保护烧结，从而防止了复合材料在烧结过程中由于氧气及其它气体的进入而使得材料在高温烧结环境下发生氧化。
可选地，WC颗粒为不规则形状的铸造碳化钨颗粒。
可选地，所述WC预制体的结构呈柱状，预制体的直径大小为5mm、7.5mm、10mm中的一种。
可选地，所述步骤(1)中不锈钢磨球和粉末的重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球个数比为1:5。
可选地，所述步骤(1)中球磨的工艺为：球磨时先顺时针转60min停转10min，然后再逆时针转60min最后再停转10min，250r/min，上述过程重复两次。
可选地，所述步骤(1)中不锈钢磨球和粉末的重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球个数比为1:5。
可选地，所述步骤(2)中，粉末压制成形的工艺为：先将压力升至500MPa，保压3-5min；再卸掉压力，重新将压力升至600MPa，保压8-10min。
可选地，所述步骤(3)中加热和冷却均以特定的速率进行，工艺为：室温至500℃，速率为≤5℃/min；500℃至800℃，速率为≤10℃/min；800℃至1000℃，速率为≤5℃/min；降温时，降温速率与升温速率相反。
可选地，所述步骤(5)中浇注方式为底注式。
附图说明
图1为铸造WC颗粒扫描电镜图；
图2为Ni粉扫描电镜图；
图3为Ni60颗粒扫描电镜图；
图4为经过步骤(1)得到的混合粉末的扫描电镜图；
图5为本发明实施实例一中WC预制体结构增强铁基复合材料的复合界面扫描电镜图；
图6为本发明实施实例一中WC预制体结构增强铁基复合材料的复合界面Fe、Cr、W、Ni元素分布的EDS图；
图7为本发明实施实例一至三中WC预制体结构增强铁基复合材料与对比实例的三体磨料磨损质量损失图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一
本实施例中的WC预制体结构增强铁基复合材料，WC预制体原料按重量分数计，包括50wt％的WC颗粒、40wt％的Ni粉以及10wt％的Ni60颗粒；WC颗粒的粒径为150-180μm；Ni粉的粒径为48-53μm；Ni60颗粒的粒径为60-90μm。基体材料为高铬铸铁。
上述WC预制体结构增强铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)：将WC颗粒、Ni粉、Ni60颗粒放入真空球磨罐中进行真空球磨，球磨时间4h。不锈钢磨球和粉末重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球重量比为1:1。球磨的具体工艺为：球磨转速为250r/min，球磨时先正转60min后停转10min，然后再反转60min最后再停转10min，上述过程重复2次，球磨时间为4h，球磨过程中通入氩气。
(2)：将步骤(1)中混合好的粉末在粉末压片机上进行压制成形，粉末压制成形的工艺为：先将压力升至500MPa，保压5min；再卸掉压力，从新将压力升至600MPa，保压10min。
(3)：将步骤(2)中压制成形的预制坯放入真空管式炉中，通入氩气进行保护烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为60min。烧结工艺为：室温至500℃，速率为5℃/min；500℃至800℃，速率为10℃/min；800℃至1000℃，速率为5℃/min。降温时，降温速率和升温速率刚好相反。
(4)：将步骤(3)中烧结后的预制坯进行加工，制成若干直径为5mm、7.5mm以及10mm高度为15mm的预制体柱。
(5)：将步骤(4)中加工的直径为5mm的预制体柱按柱间距10mm均匀错排放置到预先做好的砂型型腔中，底部浇注高铬铸铁金属液进行固-液复合，浇注温度为1550℃。
实施例二
本实施例与实施例一的区别之处在于：步骤(5)中分别将直径为7.5mm的预制体柱按柱间距15mm均匀错排放置到预先做好的砂型型腔中。其余步骤完全一致。
实施例三
本实施例与实施例一的区别之处在于：步骤(5)中分别将直径为10mm的预制体柱按柱间距20mm均匀错排放置到预先做好的砂型型腔中。其余步骤完全一致。
试验测试：
1、扫描电镜及EDS能谱仪
对实施实例1WC预制柱为直径为5mm，柱间距为10mm增强铁基复合材料及对比实例未加预制体结构的高铬铸铁材料分别进行对步骤(1)及步骤(5)制备的混合粉末及WC预制体结构增强铁基复合材料进行测试，测试结果如图1-6所示。图1为不规则形铸造WC颗粒扫描电镜图，图2为Ni粉扫描电镜图，图3为Ni60颗粒扫描电镜图，图4为经过步骤(1)得到的混合粉末的扫描电镜图。从图1与图2对比发现根据步骤(2)球磨工艺可以很好地将稀土粉末分散附着在WC颗粒的表面，达到预期效果。图5为经过步骤(5)底部浇注高铬铸铁固-液复合后，WC预制体结构增强铁基复合材料的复合界面扫描电镜图。从图中可知预制体与基体之间产生了过渡层，结合良好；图6为WC预制体结构增强铁基复合材料的复合界面Fe、Cr、W、Ni元素分布的EDS图。
2、力学性能测试
选取实施实例一至三及对比实例制备的材料进行硬度和耐磨性能测试，硬度测试结果如下表1所示，耐磨性能测试如图7所示。
表1为实施例一至三和对比例的测试结果
Figure BDA0003014319170000061
由此可知：
1、本实验在通过步骤(3)的烧结工艺可以很好的提高WC预制体的强度，在步骤(5)进行固-液复合时，不易被烧损，提高复合材料的成型质量。
2、本实验在高铬铸铁中加入WC预制体结构使铁基复合材料的性能得到了显著的提升，预制体与基体之间产生了明显的冶金过渡层，预制体与基体结合良好，并且增强预制体周围有足够的未增强基体区域，通过基体的塑性变形能很好地吸收能量，提高断裂韧性。在磨料磨损过程中，高硬度预制体保护低硬度基体和基体支撑预制体的协同效应成就了复合材料的高耐磨性。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体成分及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种WC预制体结构增强铁基复合材料，其特征在于：WC预制体原料按重量分数计，包括50wt%的WC颗粒、40wt%的Ni粉以及10wt%的Ni60颗粒；WC颗粒的粒径为150-180μm；Ni粉的粒径为48-53μm；Ni60颗粒的粒径为60-90μm，基体材料为高铬铸铁；WC颗粒为不规则形状的铸造碳化钨颗粒；所述WC预制体的结构呈柱状，预制体的直径大小为5mm、7.5mm、10mm中的一种；
所述WC预制体结构增强铁基复合材料由如下方法制备：
（1）：将WC颗粒、Ni粉、Ni60颗粒放入真空球磨罐中进行真空球磨，球磨时间4h；不锈钢磨球和WC颗粒、Ni粉以及Ni60颗粒组成的粉末重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球重量比为1:1；
（2）：将步骤（1）中混合好的粉末在粉末压片机上进行压制成形；粉末压制成形的工艺为：先将压力升至500MPa，保压3-5min；再卸掉压力，重新将压力升至600MPa，保压8-10min；
（3）：将步骤（2）中压制成形的预制坯放入真空管式炉中，通入氩气进行保护烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为60min；
（4）：将步骤（3）中烧结后的预制坯进行加工，制成若干直径为5mm、7.5mm以及10mm高度为15mm的预制体柱；
（5）：将步骤（4）中加工的直径为5mm、7.5mm以及10mm的预制体柱分别按10mm、15mm以及20mm柱间距均匀错排放置到预先做好的型腔中，浇注高铬铸铁金属液进行固-液复合，浇注温度为1550℃。
2.一种制备如权利要求1所述的WC预制体结构增强铁基复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）：将WC颗粒、Ni粉、Ni60颗粒放入真空球磨罐中进行真空球磨，球磨时间4h；不锈钢磨球和WC颗粒、Ni粉以及Ni60颗粒组成的粉末重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球重量比为1:1；
（2）：将步骤（1）中混合好的粉末在粉末压片机上进行压制成形；粉末压制成形的工艺为：先将压力升至500MPa，保压3-5min；再卸掉压力，重新将压力升至600MPa，保压8-10min；
（3）：将步骤（2）中压制成形的预制坯放入真空管式炉中，通入氩气进行保护烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为60min；
（4）：将步骤（3）中烧结后的预制坯进行加工，制成若干直径为5mm、7.5mm以及10mm高度为15mm的预制体柱；
（5）：将步骤（4）中加工的直径为5mm、7.5mm以及10mm的预制体柱分别按10mm、15mm以及20mm柱间距均匀错排放置到预先做好的型腔中，浇注高铬铸铁金属液进行固-液复合，浇注温度为1550℃。
3.根据权利要求2所述的一种WC预制体结构增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中不锈钢磨球和粉末的重量比为3:1，其中Φ10mm和Φ5mm磨球个数比为1:5。
4.根据权利要求3所述的一种WC预制体结构增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中球磨的工艺为：球磨时先顺时针转60min停转10min，然后再逆时针转60min最后再停转10min，250r/min，上述过程重复两次。
5.根据权利要求4所述的一种WC预制体结构增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中加热和冷却均以特定的速率进行，工艺为：室温至500℃，速率为≤5℃/min；500℃至800℃，速率为≤10℃/min；800℃至1000℃，速率为≤5℃/min；降温时，降温速率与升温速率相反。
6.根据权利要求5所述的一种WC预制体结构增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中浇注方式为底注式。
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