CN113564498A - 一种抗冲击耐磨复合衬板及其制备方法 - Google Patents

一种抗冲击耐磨复合衬板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗冲击耐磨复合衬板，包括叠加的复合层和高锰钢层，复合层由纤维状增强体和高锰钢基体组成，纤维状增强体包括低碳钢过渡层、碳化物增强相、高韧性金属纤维和钢基体，碳化物增强相分布在高韧性金属纤维周围，低碳钢过渡层位于纤维状增强体的最外侧。本发明还公开了一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，制备的抗冲击耐磨复合衬板由纤维增状强体、韧性金属纤维、碳化物增强相组成强韧化，发挥聚集碳化物增强相高模量、高硬度的作用，提高了衬板强度和耐磨性；纤维状增强体内连接的钢基体和高韧性金属纤维可提高衬板损伤容限，改善韧性；低碳钢过渡层内外均为同质钢基体，宏观界面结合良好，可以有效提高传递载荷，释放应力。

Description

一种抗冲击耐磨复合衬板及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨材料技术领域，涉及一种抗冲击耐磨复合衬板及其制备方法。
背景技术
耐磨衬板广泛应用于冶金、矿山、建材、化工等工业领域。随着相关装备大型化、高效化、高速化的发展，对衬板的使用性能提出更高的要求。例如，球磨机用衬板在服役时直接承受来自研磨体和物料的高冲击载荷和强磨损的作用，因此要求衬板不仅具有高的强度和良好的耐磨损，同时还必须具有优异的抗冲击性能。
目前，衬板的制备工艺主要为表面改性技术和熔铸复合工艺。表面改性技术主要是在合金钢(或高锰钢、高铬合金铸铁等)基材表面喷涂、堆焊耐磨层，进而来提高衬板表面的耐磨损性能和硬度。例如，专利《一种球磨机衬板耐磨涂层的制备方法》(201510431727.X)公开了一种采用超音速火焰喷涂技术在中碳合金耐磨钢(ZG42SiMnCr2MoRe)衬板基体上喷涂了厚度约为250μm-300μm的WC-Co耐磨层，衬板表面的硬度高于55HRC，韧性高于42J/cm2。尽管通过这种工艺可同时获得高的硬度和良好的韧性，但是由于衬板工作时震动极大且喷涂技术所获得的耐磨层的厚度较薄，极易导致耐磨层因冲击而发生脱落不仅没有达到球磨效果，而且会因为脱落耐磨层的作用进一步损坏物料和衬板基体，从而严重影响设备使用的寿命和安全性。熔铸复合工艺主要是将钢铁基体浇铸于预制陶瓷增强体构型中获得耐磨衬板。例如，专利《一种复合耐磨件的制备方法》(201510081534.6)公开了一种采用熔铸复合工艺将陶瓷增强体用粘结剂结合成整体，铺放到工件的工作面部位，然后浇注金属液，使陶瓷增强体与金属液互相渗透熔合，从而得到含有陶瓷增强体的金属基复合材料耐磨衬板。然而，对于熔铸复合工艺制备耐磨衬板依然存在如下两个问题：(i)当陶瓷增强体体积分数较高时，极易造成液态金属冷隔和缩松现象的产生，因此难以实现高体积分数陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料耐磨衬板的制备；(ii)由于粘结剂在高温下易挥发产生气体，导致陶瓷增强体/基体界面存在孔洞等缺陷，降低了衬板的力学性能。
综上所述，目前，无论是表面改性技术还是熔铸复合工艺，对衬板耐磨性的提高都有一定限度，最关键的是随之带来的抗冲击性能的大幅降低。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种抗冲击耐磨复合衬板，解决了现有复合衬板韧性不好，抗冲击性差的问题。
本发明的另一个目的是提供一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种抗冲击耐磨复合衬板，包括叠加的复合层和高锰钢层，复合层由纤维状增强体和高锰钢基体组成，纤维状增强体包括低碳钢过渡层、碳化物增强相、高韧性金属纤维和钢基体，碳化物增强相分布在高韧性金属纤维周围，低碳钢过渡层位于纤维状增强体的最外侧。
其中，碳化物增强相为TaC、NbC、TiC、V8C7中的一种或几种。
纤维状增强体3为Ta、Nb、Ti、V纤维中的一种或几种。
本发明所采用的第二技术方案是，一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，使用低碳钢带将金属丝、铁粉和石墨粉包裹成直径为1mm-2mm的金属纤维；
步骤2，将步骤1制备的金属纤维编织成纤维网预制体；
步骤3，采用中频感应炉熔炼高锰钢，利用喷射成形法制得高锰钢层；
步骤4，将纤维网预制体放在高锰钢层上，向纤维网预制体上喷射熔融的高锰钢液，直到填满纤维网预制体内部孔隙，并完全覆盖纤维网预制体，停止喷射，待冷却至室温，即获得复合衬板预制体；
步骤5，将复合衬板预制体置于气氛保护烧结炉中进行800-950℃烧结，保温一段时间后，随炉冷却至室温，再加热至1050-1100℃，保温一段时间，然后立即水淬至室温，最后进行回火处理和机械加工，制得抗冲击耐磨复合衬板。
其中，步骤1包括将低碳钢带轧制成U型钢带，将金属丝、铁粉和石墨粉混合均匀，然后将混合物放入U型钢带中，再将U型钢带封装卷轧，得到外径为1mm-2mm的金属纤维。
混合物中金属丝的质量百分比为60-85％，铁粉的质量百分比为12-30％，石墨粉的质量百分比为5-12％，以上各组分的质量百分比之和为100％。
金属丝为Ta、Nb、Ti、V丝中的一种或几种，直径为60μm-300μm。
步骤5中，将复合衬板预制体放在模具中，再将其置于气氛保护烧结炉中进行800-950℃烧结，保温2h-10h后，随炉冷却至室温，再将炉温升至1050-1100℃，保温5min-120min，然后从炉中取出，立即水淬至室温。
步骤5中，回火处理包括将淬火后的耐磨复合衬板加热至150-550℃，保温1h-8h，空冷至室温。
低碳钢带宽度为4mm-6mm，厚度为0.05-0.1mm。
本发明的有益效果是：
(1)由纤维增状强体、韧性金属纤维、碳化物增强相组成“多级”强韧化，一方面，发挥聚集碳化物增强相高模量、高硬度的作用，提高衬板强度和耐磨性；另一方面，纤维状增强体内连接的钢基体和高韧性金属纤维可提高衬板损伤容限，改善韧性；此外，低碳钢过渡层内外均为同质钢基体，宏观界面结合良好，可以有效提高传递载荷，释放应力。
(2)喷射成形法所得奥氏体高锰钢层组织致密、晶粒细小，与固相扩散机制相结合可使复合层内高锰钢基体与纤维状增强体实现冶金结合。
(3)碳化物强化相由金属与碳源反应生成，与钢基体和高韧性金属纤维形成半共格界面，结合良好，不易剥落，且聚集为团簇化，利于提高衬板耐磨性。
附图说明
图1是本发明一种抗冲击耐磨复合衬板的纵向截面示意图；
图2是本发明一种抗冲击耐磨复合衬板的顶面结构示意图；
图3是本发明一种抗冲击耐磨复合衬板中纤维状增强体的结构示意图。
图中，1.复合层，2.高锰钢层，3.纤维状增强体，4.高锰钢基体，5.低碳钢过渡层，6.碳化物增强相，7.高韧性金属纤维，8.钢基体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种抗冲击耐磨复合衬板，参照图1和图2，包括叠加的复合层1和高锰钢层2，复合层1由纤维状增强体3和高锰钢基体4组成，纤维状增强体3包括最外侧的低碳钢过渡层5，内部的钢基体8、碳化物增强相6和高韧性金属纤维7，碳化物增强相6分布在高韧性金属纤维7周围(见图3)。
实施例1
制备一种抗冲击耐磨复合衬板，包括以下步骤：
步骤1，将宽度为5mm，厚度为0.08mm的H08A低碳钢带轧制成U型钢带，将Ta丝、铁粉和石墨粉混合均匀，然后将混合物放入U型钢带中，再将U型钢带封装卷轧，得到外径为1mm的金属纤维；
混合物中Ta丝的质量百分比为82.7％，铁粉的质量百分比为12％，石墨粉的质量百分比为5.3％；Ta丝直径为60μm，铁粉粒度为1μm-3μm，石墨粉粒度为0.5μm-5μm；
步骤2，将步骤1制备的金属纤维编织成纤维网预制体，厚度方向纤维状增强体间距d1＝3mm，横向纤维状增强体间距d2＝2mm，纵向纤维状增强体间距d3＝2mm；
步骤3，采用中频感应炉熔炼高锰钢，利用喷射成形法制得高锰钢层；
喷射成形是用高压惰性气体将金属液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺，由于快速凝固的作用，所获金属材料成分均匀、组织细化、无宏观偏析，且含氧量低，与传统的铸一锻工艺和粉末冶金工艺相比较，它流程短、工序简化、沉积效率高，是一种先进的制取坯料技术。
步骤4，将纤维网预制体放在高锰钢层上，向纤维网预制体上喷射熔融的高锰钢液，直到填满纤维网预制体内部孔隙，并完全覆盖纤维网预制体，停止喷射，待冷却至室温，即获得复合衬板预制体；
步骤5，烧结及热处理
步骤5.1，固相扩散
将复合衬板预制体置于气氛保护烧结炉中进行800℃烧结，保温2h后，随炉冷却至室温，烧结过程中，复合衬板预制体内部发生原位固相反应，使金属Ta纤维与碳原子发生原位反应原位形成相应的团簇状TaC颗粒和剩余的高韧性金属Ta纤维；烧结促使低碳钢带内铁粉烧结致密化，同时利用高温下原子互扩散行为，诱使低碳钢带与高锰钢基体之间通过扩散连接形成具有梯度宏观界面，实现纤维状增强体的原位形成。
步骤5.2，水韧处理
将复合衬板加热至1050℃，保温120min，然后立即水淬至室温，促使高锰钢层和复合层中的高锰钢基体组织成为单一的奥氏体组织；
步骤5.3，回火
为了消除耐磨复合衬板内部的残余应力，将水韧处理后的耐磨复合衬板加热至550℃，保温1h，空冷至室温；
最后根据所需复合衬板尺寸对其进行机械加工，切割、打磨、抛光，制得抗冲击耐磨复合衬板。
对制备的抗冲击耐磨复合衬板进行微观组织观测，纤维状增强体内剩余金属钽纤维的直径约为10μm，TaC颗粒的粒径约为150nm，基体组织为铁素体；复合层内高锰钢基体和高锰钢层的组织均为奥氏体组织。检测该实施例制备的抗冲击耐磨复合衬板的物理性能，测得冲击韧性为120J/cm2；相对高锰钢，耐磨性提高了10倍。
实施例2
制备一种抗冲击耐磨复合衬板，包括以下步骤：
步骤1，将宽度为4mm，厚度为0.06mm的H08A低碳钢带轧制成U型钢带，将Ti丝、铁粉和石墨粉混合均匀，然后将混合物放入U型钢带中，再将U型钢带封装卷轧，得到外径为1.5mm的金属纤维；
混合物中Ti丝的质量百分比为60.1％，铁粉的质量百分比为28.9％，石墨粉的质量百分比为11％；Ti丝直径为100μm，铁粉粒度为1μm-3μm，石墨粉粒度为0.5μm-5μm；
步骤2，将步骤1制备的金属纤维编织成纤维网预制体，厚度方向纤维状增强体间距d1＝3mm，横向纤维状增强体间距d2＝2mm，纵向纤维状增强体间距d3＝2mm；
步骤3，采用中频感应炉熔炼高锰钢，利用喷射成形法制得高锰钢层；
步骤4，将纤维网预制体放在高锰钢层上，向纤维网预制体上喷射熔融的高锰钢液，直到填满纤维网预制体内部孔隙，并完全覆盖纤维网预制体，停止喷射，待冷却至室温，即获得复合衬板预制体；
步骤5，烧结及热处理
步骤5.1，固相扩散
将复合衬板预制体置于气氛保护烧结炉中进行900℃烧结，保温6h后，随炉冷却至室温，烧结过程中，复合衬板预制体内部发生原位固相反应，使金属Ti纤维与碳原子发生原位反应原位形成相应的团簇状TiC颗粒和剩余的高韧性金属Ti纤维；烧结促使低碳钢带内铁粉烧结致密化，同时利用高温下原子互扩散行为，诱使低碳钢带与高锰钢基体之间通过扩散连接形成具有梯度宏观界面，实现纤维状增强体的原位形成。
步骤5.2，水韧处理
将复合衬板加热至1080℃，保温60min，然后立即水淬至室温，促使高锰钢层和复合层中的高锰钢基体组织成为单一的奥氏体组织；
步骤5.3，回火
为了消除耐磨复合衬板内部的残余应力，将水韧处理后的耐磨复合衬板加热至450℃，保温1.2h，空冷至室温；
最后根据所需复合衬板尺寸对其进行机械加工，切割、打磨、抛光，制得抗冲击耐磨复合衬板。
对制备的抗冲击耐磨复合衬板进行微观组织观测，纤维状增强体内剩余金属钛纤维的直径约为50μm，TiC颗粒的粒径约为1μm，基体组织为铁素体，复合层内高锰钢基体和高锰钢层的组织均为奥氏体组织。检测该实施例制备的抗冲击耐磨复合衬板的物理性能，测得冲击韧性为156J/cm2；相对高锰钢，耐磨性提高了9倍。
实施例3
制备一种抗冲击耐磨复合衬板，包括以下步骤：
步骤1，将宽度为6mm，厚度为0.1mm的H08A低碳钢带轧制成U型钢带，将Nb丝、铁粉和石墨粉混合均匀，然后将混合物放入U型钢带中，再将U型钢带封装卷轧，得到外径为2mm的金属纤维；
混合物中Nb丝的质量百分比为72.5％，铁粉的质量百分比为18.8％，石墨粉的质量百分比为8.7％；Nb丝直径为200μm，铁粉粒度为1μm-3μm，石墨粉粒度为0.5μm-5μm；
步骤2，将步骤1制备的金属纤维编织成纤维网预制体，厚度方向纤维状增强体间距d1＝3mm，横向纤维状增强体间距d2＝3mm，纵向纤维状增强体间距d3＝3mm；
步骤3，采用中频感应炉熔炼高锰钢，利用喷射成形法制得高锰钢层；
步骤4，将纤维网预制体放在高锰钢层上，向纤维网预制体上喷射熔融的高锰钢液，直到填满纤维网预制体内部孔隙，并完全覆盖纤维网预制体，停止喷射，待冷却至室温，即获得复合衬板预制体；
步骤5，烧结及热处理
步骤5.1，固相扩散
将复合衬板预制体置于气氛保护烧结炉中进行950℃烧结，保温4h后，随炉冷却至室温，烧结过程中，复合衬板预制体内部发生原位固相反应，使金属Nb纤维与碳原子发生原位反应原位形成相应的团簇状NbC颗粒和剩余的高韧性金属Nb纤维；烧结促使低碳钢带内铁粉烧结致密化，同时利用高温下原子互扩散行为，诱使低碳钢带与高锰钢基体之间通过扩散连接形成具有梯度宏观界面，实现纤维状增强体的原位形成。
步骤5.2，水韧处理
将复合衬板加热至1025℃，保温80min，然后立即水淬至室温，促使高锰钢层和复合层中的高锰钢基体组织成为单一的奥氏体组织；
步骤5.3，回火
为了消除耐磨复合衬板内部的残余应力，将水韧处理后的耐磨复合衬板加热至500℃，保温1.5h，空冷至室温；
最后根据所需复合衬板尺寸对其进行机械加工，切割、打磨、抛光，制得抗冲击耐磨复合衬板。
对制备的抗冲击耐磨复合衬板进行微观组织观测，纤维状增强体内剩余金属Nb纤维的直径约为50μm，NbC颗粒的粒径约为350nm，基体组织为铁素体，复合层内高锰钢基体和高锰钢层的组织均为奥氏体组织。检测该实施例制备的抗冲击耐磨复合衬板的物理性能，测得冲击韧性为130J/cm2；相对高锰钢，耐磨性提高了7倍。
实施例4
制备一种抗冲击耐磨复合衬板，包括以下步骤：
步骤1，将宽度为5mm，厚度为0.08mm的H08A低碳钢带轧制成U型钢带，将V丝、铁粉和石墨粉混合均匀，然后将混合物放入U型钢带中，再将U型钢带封装卷轧，得到外径为2mm的金属纤维；
混合物中V丝的质量百分比为63.4％，铁粉的质量百分比为25.3％，石墨粉的质量百分比为11.3％；V丝直径为300μm，铁粉粒度为1μm-3μm，石墨粉粒度为0.5μm-5μm；
步骤2，将步骤1制备的金属纤维编织成纤维网预制体，厚度方向纤维状增强体间距d1＝3mm，横向纤维状增强体间距d2＝2mm，纵向纤维状增强体间距d3＝2mm；
步骤3，采用中频感应炉熔炼高锰钢，利用喷射成形法制得高锰钢层；
步骤4，将纤维网预制体放在高锰钢层上，向纤维网预制体上喷射熔融的高锰钢液，直到填满纤维网预制体内部孔隙，并完全覆盖纤维网预制体，停止喷射，待冷却至室温，即获得复合衬板预制体；
步骤5，烧结及热处理
步骤5.1，固相扩散
将复合衬板预制体置于气氛保护烧结炉中进行950℃烧结，保温8h后，随炉冷却至室温，烧结过程中，复合衬板预制体内部发生原位固相反应，使金属V纤维与碳原子发生原位反应原位形成相应的团簇状V8C7颗粒和剩余的高韧性金属V纤维；烧结促使低碳钢带内铁粉烧结致密化，同时利用高温下原子互扩散行为，诱使低碳钢带与高锰钢基体之间通过扩散连接形成具有梯度宏观界面，实现纤维状增强体的原位形成。
步骤5.2，水韧处理
将复合衬板加热至1050℃，保温60min，然后立即水淬至室温，促使高锰钢层和复合层中的高锰钢基体组织成为单一的奥氏体组织；
步骤5.3，回火
为了消除耐磨复合衬板内部的残余应力，将水韧处理后的耐磨复合衬板加热至300℃，保温6h，空冷至室温；
最后根据所需复合衬板尺寸对其进行机械加工，切割、打磨、抛光，制得抗冲击耐磨复合衬板。
对制备的抗冲击耐磨复合衬板进行微观组织观测，纤维状增强体内剩余金属V纤维的直径约为50μm，V8C7颗粒的粒径约为2μm，基体组织为铁素体，复合层内高锰钢基体和高锰钢层的组织均为奥氏体组织。检测该实施例制备的抗冲击耐磨复合衬板的物理性能，测得冲击韧性为103J/cm2；相对高锰钢，耐磨性提高了13倍。

Claims (10)

1.一种抗冲击耐磨复合衬板，其特征在于，包括叠加的复合层(1)和高锰钢层(2)，复合层(1)由纤维状增强体(3)和高锰钢基体(4)组成，纤维状增强体(3)包括低碳钢过渡层(5)、碳化物增强相(6)、高韧性金属纤维(7)和钢基体(8)，碳化物增强相(6)分布在高韧性金属纤维(7)周围，低碳钢过渡层(5)位于纤维状增强体(3)的最外侧。
2.根据权利要求1所述的一种抗冲击耐磨复合衬板，其特征在于，所述碳化物增强相(6)为TaC、NbC、TiC、V8C7中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种抗冲击耐磨复合衬板，其特征在于，所述纤维状增强体(3)为Ta、Nb、Ti、V纤维中的一种或几种。
4.一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，使用低碳钢带将金属丝、铁粉和石墨粉包裹成直径为1mm-2mm的金属纤维；
步骤2，将步骤1制备的金属纤维编织成纤维网预制体；
步骤3，采用中频感应炉熔炼高锰钢，利用喷射成形法制得高锰钢层；
步骤4，将纤维网预制体放在高锰钢层上，向纤维网预制体上喷射熔融的高锰钢液，直到填满纤维网预制体内部孔隙，并完全覆盖纤维网预制体，停止喷射，待冷却至室温，即获得复合衬板预制体；
步骤5，将复合衬板预制体置于气氛保护烧结炉中进行800-950℃烧结，保温一段时间后，随炉冷却至室温，再加热至1050-1100℃，保温一段时间，然后立即水淬至室温，最后进行回火处理和机械加工，制得抗冲击耐磨复合衬板。
5.根据权利要求4所述的一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述步骤1包括将低碳钢带轧制成U型钢带，将金属丝、铁粉和石墨粉混合均匀，然后将混合物放入U型钢带中，再将U型钢带封装卷轧，得到外径为1mm-2mm的金属纤维。
6.根据权利要求5所述的一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述混合物中金属丝的质量百分比为60-85％，铁粉的质量百分比为12-30％，石墨粉的质量百分比为5-12％，以上各组分的质量百分比之和为100％。
7.根据权利要求6所述的一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述金属丝为Ta、Nb、Ti、V丝中的一种或几种，直径为60μm-300μm。
8.根据权利要求4所述的一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，将复合衬板预制体放在模具中，再将其置于气氛保护烧结炉中进行800-950℃烧结，保温2h-10h后，随炉冷却至室温，再将炉温升至1050-1100℃，保温5min-120min，然后从炉中取出，立即水淬至室温。
9.根据权利要求8所述的一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，回火处理包括将淬火后的耐磨复合衬板加热至150-550℃，保温1h-8h，空冷至室温。
10.根据权利要求4所述的一种抗冲击耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述低碳钢带宽度为4mm-6mm，厚度为0.05-0.1mm。
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