CN113913711A

CN113913711A - 一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN113913711A
Application number: CN202111011729.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡小龙; 许云华; 曹保卫; 刘建勃; 郭磊; 白靖; 刘明欣; 王还喜
Original assignee: Yulin University
Current assignee: Yulin University
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2041-08-31
Also published as: CN113913711B

Abstract

本发明提供了一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料及其制备方法，通过喷射沉积使内含硼化物颗粒的粉芯丝材网与高锰钢基体复合后，利用等温退火，以原子扩散的方式消除其内部缺陷，通过控制退火温度、退火时间，可在高锰钢基体内部形成复合增强体，复合增强体与高锰钢基体之间形成冶金结合界面，结合强度高；在等温退火过程中，高锰钢或复合增强体中的铁通过扩散消除了喷射复合过程中产生的缺陷，硼化物颗粒与高锰钢基体之间的相界也为冶金结合，这种内含硼化物颗粒束的双尺度高锰钢基复合材料克服了现有复合材料增强体和基体之间宏观界面明显的应力集中的问题，复合增强体内部增强相与金属相微观界面结合强度高，能大幅度提高材料的强度和韧性。

Description

一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备方法，特别是一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料及其制备方法。

背景技术

高锰钢具有良好的加工硬化性能，在经受强烈冲击或重力挤压时，其表面迅速硬化，而心部依旧保持原有的硬度和韧性，再加上高锰钢价格相对较低，因此被广泛应用，但是随着大型机械化、智能化的发展，在某些磨损工况下，特别是在冲击高的高应力磨料磨损工况，高锰钢耐磨性较低，如大型球磨机的衬板是主要的承载和抗磨损部件，其消耗造成的国民经济损失较大，为了克服单一金属材料强度不足的自身局限，进而提高其耐磨、承载等力学性能，近年来陶瓷增强金属基复合材料成为许多学者关注的热点。

陶瓷高锰钢复合材料因具有高模量、高强度、高硬度、高耐磨性等特点，通常被用于制造抗冲击磨损工件，所制成的构件广泛应用于矿山、冶金、电力、军工、汽车工业等国民经济重要行业，然而，陶瓷高锰钢复合材料强度与韧性之间的倒置关系仍然限制了其更广泛的应用，且增强体和基体之间的宏观界面存在明显的应力集中，以上问题是复合材料领域研究急需解决的问题。

发明内容

经过研究，本发明旨在制备双尺度结构的高锰钢基复合材料，即将材料制备成“复合材料增强的复合材料”，利用高体积分数硼化物提高强度，利用复合增强体延长裂纹扩展路径，实现强度和韧性的同时提高。因此，为了改善高锰钢的承载能力以及摩擦学行为，以硼化物陶瓷作为增强相，采用喷射沉积制备束状结构的硼化物陶瓷增强高锰钢整体复合材料，以期同时提高复合材料的强度和韧性，延长材料的使用寿命，扩展其应用领域。

为了实现以上目的，本发明提供以下技术方案：

一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：称取硼化物粉末64～76份，铁粉23～35份，硼粉1份，将上述粉末混合均匀后体填充至带有U形槽的铁皮中，将U形槽合口后拉拔，得到直径为2000～4500μm的粉芯丝材；

S2：将粉芯丝材用盐酸酸洗，再用水冲洗干净，晾干后编织成粉芯丝材网，网格的纵横向间距为3700～6100μm；

S3：将高锰钢在喷射铸造装置真空室内的中频炉里冶炼为钢液，控制温度为1550～1650℃，通过智能装置向接收盘的模具中布入粉芯丝材网，使钢液流经导流管，同时用惰性气体对钢液加压，通过雾化喷嘴进行喷射沉积，使钢液沉积到接收盘上放置有第一层粉芯丝材网的模具内，然后停止喷射；

S4：待上一层粉芯丝材网完全与高锰钢基体复合后形成，通过智能装置向接收盘的模具中布入下一层粉芯丝材网，再次喷射，使钢液沉积到接收盘上放置有下一层粉芯丝材网的模具内，然后停止喷射；多次重复直至充满模具，获得双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合体；

S5：将双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合体放入具有保护气氛的保温炉内在1000～1148℃等温退火1～2h，随炉冷却至室温，所述保护气为氩气或氮气。

进一步地，S1中所述硼化物包括TiB₂、TiB、ZrB₂、ZrB、FeB₂、FeB中的一种或者几种。

进一步地，S1中所述硼化物的颗粒平均晶粒度为5～20μm。

进一步地，S3中所述高锰钢中碳的质量百分含量为0.9～1.3％。

进一步地，S3中的惰性雾化体气体为氮气，气体压力为0.7～0.9MPa。

进一步地，S3和S4中喷射钢液温度控制在1500～1600℃，喷射时间为80～100s，导流管出口喷射距离为450～550mm，接收盘高速旋转并以15mm/min速度下降。

一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料，根据以上所述双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法制备，包括高锰钢基体和复合增强体，所述复合增强体由粉芯丝材网在高锰钢中融化后得到，所述复合增强体与所述高锰钢基体以层状复合，所述复合增强体在一维尺度上包括硼化物的颗粒定向排列形成束状结构。

本发明的有益效果有：

本发明一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料及其制备方法，通过喷射沉积使内含硼化物颗粒的粉芯丝材网与高锰钢基体复合后，利用等温退火，以原子扩散的方式消除其内部缺陷，通过控制退火温度、退火时间，可在高锰钢基体内部形成复合增强体，喷射沉积温度(1500～1600℃)较高，而且导流管出口与接收盘上模具顶端的距离较近(450～550mm)，雾化后的钢液滴能够快速沉积到模具内的粉芯丝材网上，将粉芯丝材含有的少量铁粉融化，而形成束状结构的复合增强体，铁作为黏结相，从而使得复合增强体与高锰钢基体之间形成冶金结合界面，结合强度高；此外，在等温退火过程中，高锰钢或复合增强体中的铁通过扩散消除了喷射复合过程中产生的缺陷，因此，硼化物颗粒与高锰钢基体之间的相界也为冶金结合，这种内含硼化物颗粒束的双尺度高锰钢基复合材料克服了现有复合材料增强体和基体之间宏观界面明显的应力集中的问题，复合增强体内部增强相与金属相微观界面结合强度高，能大幅度提高材料的强度和韧性。

本发明中双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料性能的提高，除了与制备工艺有关外，还与其结构有关，一方面，高锰钢基体具有较好的韧性；另一方面，硼化物颗粒束具有很高的强度，网状的硼化物颗粒束与高锰钢基体复合而制备的整体复合材料，高锰钢基体分布在网状的硼化物颗粒束之间，网状的硼化物颗粒束增强体能提高复合材料的强度，又能延长裂纹扩展路径，降低裂纹萌生能量，提高复合材料的韧性；同时，少量的铁在硼化物颗粒束中作为黏结相，不易发生脆性断裂，这对所述复合材料的韧性也有很大的贡献，所以，双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料能大幅度提高强度和韧性。

数据表明，本发明内含硼化物颗粒束的双尺度高锰钢基复合材料的抗拉强度达到110～160MPa，冲击韧性达到50～110J·cm²。在一维尺度上由硼化物的颗粒定向排列形成束状结构的复合增强体，其显微硬度为1800～1900HV_0.05，断裂韧性(压痕法)为4～12MPa·m^0.5。

综上所述，本发明一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料及其制备方法通过喷射沉积，逐层复合制备的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料，内含复合增强体，具有较好的强韧性，并且与高锰钢基体之间的宏观界面为冶金结合；利用等温退火消耗了所述复合材料内部缺陷；复合增强体高锰钢基体复合后形成的复合材料能同时提高强度和韧性，扩展了复合材料应用范围。

附图说明

图1为本发明使用的喷射铸造装置的示意图；

图2为本发明一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的扫描电镜图。

图中：1-中频炉坩埚，2-导流管，3-惰性气体通道，4-雾化喷嘴，5-沉积室，6-旋转升降机构，7-接收盘，8-传送带，9-间歇运动机构，10-排气口，11-冷却管。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、特征与功效更易被理解，下面结合具体实施方式和本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法所使用的喷射铸造装置，包括真空室、沉积室5、接收盘7以及传送带8，所述真空室下方与沉积室5连接，所述接收盘7设置在沉积室5内，所述传送带8稍高于接收盘7且一端位于沉积室5内，一端位于沉积室5外，所述真空室中设有中频炉，中频炉能够在真空下将高锰钢在中频炉坩埚1中冶炼为钢液，所述中频炉坩埚1下方设有导流管2，所述导流管2的侧向对称设有惰性气体通道3，所述导流管2的正下方设有雾化喷嘴4，所述惰性气体通道3能够将导流管2中的钢液加压通过雾化喷嘴4喷出，所述雾化喷嘴4深入到沉积室5内，所述接收盘7下方设有旋转升降机构6，所述旋转升降机构6能够带动接收盘7旋转以及升降；所述传送带8通过间歇运动机构9能够将本发明方法中使用的粉芯丝材网布设进入接收盘7的模具中，所述沉积室5在侧向开口，所述开口既能够容许传送带8进入沉积室5内部，也为惰性气体的排气口10，所述沉积室5内设有冷却管11，用于控制温度。

S1：称取TiB₂粉末76份，铁粉23份，硼粉1份，将上述粉末混合均匀后体填充至带有U形槽的铁皮中，将U形槽合口后拉拔，得到直径为2000μm的粉芯丝材，所述TiB₂粉末的颗粒平均晶粒度为5μm；

S2：将粉芯丝材用盐酸酸洗，再用水冲洗干净，晾干后编织成粉芯丝材网，网格的纵横向间距为3700μm；

S3：将高锰钢在喷射铸造装置真空室内的中频炉里冶炼为钢液，控制温度为1550～1650℃，通过智能装置向接收盘的模具中布入粉芯丝材网，使钢液流经导流管，同时用氮气0.7～0.9MPa对钢液加压，通过雾化喷嘴进行喷射沉积，喷射钢液温度控制在1500～1600℃，喷射时间为80s，导流管出口喷射距离为450～550mm，接收盘高速旋转并以15mm/min速度下降，使钢液沉积到接收盘上放置有第一层粉芯丝材网的模具内，然后停止喷射，所述高锰钢中碳的质量百分含量为0.9％；

S5：将双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合体放入具有保护气氛的保温炉内在1148℃等温退火2h，随炉冷却至室温，所述保护气为氮气。

如图2所示，本发明一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的扫描电镜图，可以清晰的看到硼化物晶粒在复合材料中的有序排列形成的复合增强体。

实施例1制备的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料，粉芯丝材网在高锰钢中融化后得到复合增强体，所述复合增强体在一维尺度上包括硼化物的颗粒定向排列形成束状结构，且复合增强体与所述高锰钢基体以层状复合。

实施例1制备的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料，经过性能测定，复合材料的抗拉强度为115～140MPa，冲击韧性为70～90J·cm²；复合增强体的显微硬度为1810～1850HV_0.05，断裂韧性(压痕法)为6～10MPa·m^0.5。

实施例2～7：

与实施例1的不同点在于，硼化物的种类不同，其余条件均相同，复合材料性能测定的数据如表1所示。

表1硼化物的种类对复合材料性能的影响

实施例	硼化物种类	抗拉强度(MPa)	冲击韧性(J·cm<sup>2</sup>)	显微硬度(HV<sub>0.05</sub>)	断裂韧性(MPa·m<sup>0.5</sup>)
						2	FeB<sub>2</sub>	110～130	80～110	1800～1840	6～12
1	TiB<sub>2</sub>	115～140	70～90	1810～1850	6～10
						3	ZrB<sub>2</sub>	140～160	50～75	1870～1900	4～8
4	FeB<sub>2</sub>+TiB<sub>2</sub>	112～135	75-100	1805～1845	6～10
						5	FeB<sub>2</sub>+FeB	110～120	84～110	1800～1835	6～9
6	TiB<sub>2</sub>+TiB	115～130	75～90	1805～1850	5～9
						7	ZrB<sub>2</sub>+ZrB	140～150	55～75	1865～1900	4～9

从表1的数据可以看出，硼化物种类采用本发明技术方案中优选的几种硼化物以及硼化物的组合，使用本发明的方法制得的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料，其抗拉强度较高，并且其冲击韧性同时也能够保持在较高的水平，特别是使用硼化物TiB₂的效果尤佳，其抗拉硬度、冲击韧性均处于较高水平，复合材料中的复合增强体的显微硬度和断裂韧性也比较高，复合材料的高抗拉强度和冲击韧性将复合增强体的高显微硬度和断裂韧性充分表现出来。

实施例8～10：

与实施例1的不同点在于，TiB₂粉末的晶粒尺寸、粉芯丝材的直径以及网格的纵横向间距，复合材料性能测定的数据如表2所示。

表2晶粒尺寸、粉芯丝材直径及网格间距对复合材料性能的影响

从表2的数据可以看出晶粒尺寸小，粉芯丝材直径小，网格间距小的情况下，复合材料的抗拉硬度和冲击韧性以及复合增强体的显微硬度和断裂韧性均有显著提高，但是由于晶粒尺寸小，粉芯丝材直径小，粉芯丝材的制造成本会相应增加，且网格间距小，使用的粉芯丝材数量也会相应增加，成本相应的增加，本发明的晶粒尺寸，粉芯丝材直径，网格间距范围的相应选择，充分考虑到复合材料的性能和降低制造成本，性价比较高。

实施例11～13：

与实施例1的不同点在于，TiB₂粉末、铁粉和硼粉的用量比例不同，其性能测定的数据如表3所示。

表3TiB₂粉末、铁粉和硼粉的用量的比例对复合材料性能的影响

从表3的数据可以看出，随着硼化物用量的比例升高，复合材料的抗拉强度随之升高，但是冲击韧性逐渐下降，复合增强体的显微硬度随之升高，但是断裂韧性随之下降，需要在二者之间寻找一个平衡，在保持一定的冲击韧性的前提下，尽可能的提高复合材料的抗拉强度是本发明的目的之一。

实施例14～16：

与实施例1的不同点在于，退火的时间和保护气氛温度不同，其性能测定的数据如表4所示。

表4退火的时间和保护气氛温度对复合材料性能的影响

由表4的数据可以看出，随退火时间和保护气氛温度的增加，复合材料的抗拉硬度和冲击韧性以及复合增强体的显微硬度和断裂韧性均有显著提高，但是保护气氛温度不能超过基体的共晶化点。

实施例17～19：

对比实验，所述硼化物颗粒直接添加到钢液中，以无序状态加入，不同用量的硼化物颗粒所得到的复合材料，其性能测定的数据如表5所示。

表5硼化物颗粒无序状态形成复合材料的性能

将表5的数据与表3的数据进行对比，可以看出，本发明方法制备的复合材料在抗拉强度和冲击韧性上均有显著提高，这两个指标的提高，可以大幅度提高复合材料的耐磨性，复合材料的强度和韧性得到了极大的提高，扩展了复合材料应用范围。

在对比例中，由于硼化物颗粒在复合材料中不能形成复合增强体，其显微硬度和断裂韧性的优势不能够体现到复合材料宏观的性能抗拉强度和冲击韧性中，虽然硼化物用量相当，但是在复合材料的性能改善方面效果欠佳。

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，所作出的任何修改或者等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法，其特征在于，S1中所述硼化物包括TiB₂、TiB、ZrB₂、ZrB、FeB₂、FeB中的一种或者几种。

3.如权利要求2所述的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法，其特征在于，S1中所述硼化物的颗粒平均晶粒度为5～20μm。

4.如权利要求3所述的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法，其特征在于，S3中所述高锰钢中碳的质量百分含量为0.9～1.3％。

5.如权利要求4所述的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法，其特征在于，S3中的惰性雾化体气体为氮气，气体压力为0.7～0.9MPa。

6.如权利要求5所述的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法，其特征在于，S3和S4中喷射钢液温度控制在1500～1600℃，喷射时间为80～100s，导流管出口喷射距离为450～550mm，接收盘高速旋转并以15mm/min速度下降。

7.一种双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料，根据权利要求1～6任一所述的双尺度硼化物颗粒束高锰钢复合材料的制备方法制备，其特征在于，包括高锰钢基体和复合增强体，所述复合增强体由粉芯丝材网在高锰钢中融化后得到，所述复合增强体与所述高锰钢基体以层状复合，所述复合增强体在一维尺度上包括硼化物的颗粒定向排列形成束状结构。