CN1737184A - 一种耐磨耐蚀材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐磨耐蚀材料及其制备方法，属于耐磨耐蚀材料领域。以316L不锈钢粉末及Y2O3部分稳定氧化锆粉末为原料，采用粉末冶金方法制备新型耐磨耐蚀材料。该耐磨耐蚀材料的组成为：316L不锈钢粉末的含量为30～80wt％，Y－PSZ粉末的含量为70～20wt％。其制备方法为：按配比将两种粉末原料与粘结剂混炼；将经充分混炼后的混合粉末冷压成型；将得到的生坯进行热脱脂；脱脂后的坯体在真空环境或惰性气体环境下烧结成型。本发明的优点在于：工艺简单、成本低廉且耐磨损性能和耐腐蚀性能优良等优点，可广泛用于能源工程、动力机械、化学化工、冶金及航空航天等领域中耐磨耐蚀部件的制造。

Description

一种耐磨耐蚀材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨耐蚀材料领域，特别是提供了一种316L/Y-PSZ耐磨耐蚀材料及其制备方法。
背景技术
随着科学技术和国民经济的高速发展，机械、化工、冶金等领域对耐磨耐蚀材料的要求越来越高，生产装备的使用寿命越来越成为影响生产效率的重要因素。而传统的耐磨材料已逐渐不能满足应用条件的要求，因此在应用研究方面，金属陶瓷复合材料、工程陶瓷材料以及有机材料发展迅速，具备优良综合性能且价格低廉的金属陶瓷复合材料正是解决对材料耐磨耐蚀性能要求的一个较优选择。
目前金属陶瓷复合材料的研究主要集中在镁基、铝基等轻金属基上，由于其价格昂贵，主要应用于航空航天等高技术领域。作为高温、高速条件下工作的耐磨损结构件，如高速线材轧机的辊环和导向轮等，综合性能优良、价格低廉的钢铁基耐磨复合材料受到重视[张静等.铁基复合材料的现状和发展.材料导报，1995，1：67-71]。
为提高钢铁基复合材料的耐磨性，要求增强颗粒在基体中能够细小均匀的分布，不易脱落，这一点受制备方法的影响很大。目前使用的制备方法主要有粉末冶金法、铸渗法、喷射弥散法、铸造法及原位合成法等技术。但这些方法均存在一定的不足，如铸渗法、喷射弥散法等工艺复杂且复合层厚度难以控制；铸造法的主要问题是液态金属与颗粒之间易发生反应，且颗粒分布均匀性较难控制；而原位合成法则面临如何抑制不需要反应物的生成和控制增强颗粒的体积分数等问题。值得注意的是这些方法虽然各自在某些耐磨复合材料的制备上获得了成功，但是规模距离推广应用还有一定的距离，尚需要进一步完善[冯可芹等.铁基复合材料的制备技术与展望.机械工程材料，2002，26(12)：9-13]。
据统计，能源的1/3～1/2消耗于磨损，材料的80％失效于磨损，若再加上人力更换部件的停工，则经济损失更大[何俊.今年耐磨材料的发展.国外金属矿选矿，1996，4：21-24]。因此，研究开发性能优良、价格低廉的钢铁基耐磨复合材料有着重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种316L/Y-PSZ耐磨耐蚀材料及其制备方法，316L不锈钢具有较高的强度、良好的塑韧性和耐腐蚀性，其热膨胀系数在20～300℃内约为17.5×10-6K-1，与氧化钇部分稳定氧化锆(Y-PSZ)粉末制品的热膨胀系数相差较小，且二者化学相容性很好，利用粉末冶金法制备的316L/Y-PSZ复合材料，具有很好的耐磨耐蚀性能。
本发明由316L不锈钢粉末和Y2O3部分稳定氧化锆Y-PSZ粉末组成，材料配方以重量百分比表示为：316L不锈钢粉末30～80％、Y2O3部分稳定氧化锆Y-PSZ粉末70％～20％。两种粉末的粒径为0.1～100μm。
本发明的制备工艺为：
1、配制316L不锈钢/Y-PSZ混合粉末，其中316L不锈钢粉末30～80wt％，Y-PSZ粉末70～20wt％。
2、采用粉末冶金工艺，在原始混合粉末中加入粘结剂，混炼制成粘性粉末。316L不锈钢/Y-PSZ混合粉末90～99重量％，粘结剂10～1重量％。粘结剂由粉末状水溶性羟丙基甲基纤维素HPMC(含量为1～10wt％)和去离子水(含量为99～90wt％)组成。HPMC具有良好的水溶性和粘性，有利于减少粘性添加剂的添加量，同时也便于坯料的压制成型和脱脂。将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存12～48小时，以使其充分熟成。粘结剂含量可在1～10wt％范围内变化。
3、清洗模具，在模具内壁上均匀喷涂润滑剂EBS石蜡，以降低压制过程和脱模过程中的摩擦力，从而使压坯密度均匀且可以避免脱模过程中因摩擦力过大而引起的压坯碎裂。将混炼均匀后的粘性粉末放入模具中，以0.1～10mm/min的压制速度压制，在压力为200～600MPa的条件下保载1～5min成型。
4、得到的压坯需在特定的工艺下进行热脱脂。根据粘结剂中各组元的热解温度，采取如下的脱脂工艺：
以5～10℃/min的升温速度升温至100～150℃，保温0.5～5小时；再以5～15℃/min的升温速度升温至400～600℃，保温4～8小时。
5、脱脂后的坯体在真空中1200～1400℃范围内进行烧结。由于316L不锈钢的成分位于析出脆性有害相的成分范围，如果在600～900℃长时间保温有可能析出有害脆性相(如σ相)，从而导致材料组织和性能恶化，因此烧结工艺过程应尽量快速经过有害脆性相析出温度范围。
采取的真空烧结工艺为：
随炉升温至300～700℃，抽真空至1.0×10-1～1.0×10-2Pa；以5～10℃/min的升温速度升温至900～1100℃；再以5～10℃/min的升温速度升温至1200～1400℃，保温1～3小时；以10～5℃/min的降温速度降温至900～1100℃；再以10～5℃/min的降温速度降温至600～800℃；然后随炉冷却。
采取的气压烧结工艺为：
抽气至炉内气压达到1.0×10-2～50Pa；随炉升温至300～700℃；以5～10℃/分钟的升温速度升温至900～1100℃；再以5～10℃/分钟的升温速度升温至1200～1400℃，保温1～3小时，然后充惰性气体1～30分钟至气压达到0.1～10MPa，保温保压1～3小时；以10～5℃/分钟的降温速度降温至900～1100℃；再以10～5℃/分钟的降温速度降温至600～800℃；然后随炉冷却。
6、脱脂后的坯体在1200～1400℃范围内也可以采用增加烧结压力或二次烧结、温度梯度烧结，改善烧结体的组织和性能。
本发明的优点在于：颗粒分布均匀、界面结合良好且无热应力的存在，由于硬质相Y-PSZ的存在，材料的耐磨性能优良。同时由于复合材料由Y-PSZ和316L不锈钢组成，耐蚀性能可达到与316L不锈钢相同的水平。上述316L/Y-PSZ耐磨材料，具有较高的致密度(＞0.97)，较高的显微硬度(HV0.2/15＞11GPa)，较高的耐磨损性能(同样磨损条件下近10倍于Ni/MoS2复合材料)。
具体实施方式
实施例1：316L/Y-PSZ复合材料，其材料配比为：316L/Y-PSZ混合粉末95wt％(其中316L不锈钢粉末37.9wt％、Y-PSZ粉末62.1wt％)，粘结剂5wt％(其中HPMC5wt％、水95wt％)。将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存48小时；然后在模具中以1mm/分钟的速度进行压制，达到300MPa的压力后保载1分钟；将压制成型坯体放入热处理炉中以10℃/分钟的速度升温至100℃，保温5小时，然后以8℃/分钟的速度升温至450℃，保温8小时；脱脂后的坯体在真空烧结炉内随炉升温至500℃，真空抽至6.65×10-2Pa，以10℃/分钟的速度升温至1000℃，再以5℃/分钟的速度升温至1350℃，保温2.5小时，然后以5℃/分钟的速度降温至1000℃，再以10℃/分钟的速度降温至800℃，然后随炉冷却。
实施例2：316L/Y-PSZ复合材料，其材料配比为：316L/Y-PSZ混合粉末92wt％(其中316L不锈钢粉末58.7wt％、Y-PSZ粉末41.2wt％)，粘结剂8wt％(其中HPMC10wt％、水90wt％)。将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存24小时；然后在模具中以1mm/分钟的速度进行压制，达到300MPa的压力后保载5分钟；将压制成型坯体放入热处理炉中以5℃/分钟的速度升温至110℃，保温2小时，然后以8℃/分钟的速度升温至450℃，保温6小时；脱脂后的坯体在真空烧结炉内随炉升温至500℃，真空抽至6.65×10-2pa，以10℃/分钟的速度升温至1100℃，再以5℃/分钟的速度升温至1300℃，保温3小时，然后以5℃/分钟的速度降温至1000℃，再以10℃/分钟的速度降温至800℃，然后随炉冷却。
实施例3：316L/Y-PSZ复合材料，其材料配比为：316L/Y-PSZ混合粉末93wt％(其中316L不锈钢粉末48.7wt％、Y-PSZ粉末51.3wt％)，粘结剂7wt％(其中HPMC7wt％、水93wt％)。将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存36小时；然后在模具中以2mm/分钟的速度进行压制，达到400MPa的压力后保载2分钟；将压制成型坯体放入热处理炉中以8℃/分钟的速度升温至120℃，保温3小时，然后以10℃/分钟的速度升温至500℃，保温6小时；脱脂后的坯体在气压达到14Pa的烧结炉内随炉升温至500℃，以10℃/分钟的速度升温至1000℃，再以5℃/分钟的速度升温至1350℃，保温1.5小时，然后充惰性气体10分钟至气压达到9MPa，保温保压1小时，以5℃/分钟的速度降温至1000℃，再以10℃/分钟的速度降温至800℃，然后随炉冷却。
上述实施例中316L不锈钢粉末平均粒径为35μm，氧化钇部分稳定氧化锆Y-PSZ粉末平均粒径为1μm。
对以上实施例烧结成品作性能试验，致密度测试采用阿基米德法；在显微硬度仪上测试其显微硬度，采用200克载荷，保载15秒；压缩强度σbc在材料试验机上进行。试验结果如表1所示。
                        表1
    实施例     致密度 HV0.2/15(GPa)   σbc(MPa)
    实施例1     98.1％ 13.05   437
    实施例2     97.6％ 12.86   398
    实施例3     97.2％ 12.87   410
对实施例2进行耐磨性能试验，磨损实验在UMT销盘(pin-on-disc)磨损试验机上采用球盘摩擦副进行。试验使用的钢球的材料为GCr15，直径为5mm。试样由实施例二所述316L/Y-PSZ复合材料加工而成，直径为Φ27mm。以25Hz频率和8mm冲程在圆盘表面作往复式滑动干摩擦运动，速度为0.05m/s，首先在2N载荷下跑合3min，然后加载荷到5N继续磨损30min，试验的大气环境温度为27℃，相对湿度为60％。结果对比如表2所示。
                              表2
    试样     摩擦系数   磨损率(mm/(N·m))
    实施例2     0.42   5.1×10-4
    Ni/MoS2复合材料     0.40   4.68×10-3

Claims (5)

1、一种316L/Y-PSZ耐磨耐蚀材料，其特征在于：316L不锈钢粉末和Y2O3部分稳定氧化锆Y-PSZ粉末组成，材料配方以重量百分比表示为：316L不锈钢粉末30～80％、Y2O3部分稳定氧化锆Y-PSZ粉末70％～20％。
2、根据权利要求1所述的316L/Y-PSZ耐磨耐蚀材料，其特征在于：316L不锈钢粉末和Y2O3部分稳定氧化锆Y-PSZ粉末粒径为0.1～100μm。
3、一种制备权利要求1所述的316L/Y-PSZ耐磨耐蚀材料的方法，其特征在于：制备工艺为：
a.配制316L不锈钢/Y-PSZ混合粉末，其中316L不锈钢粉末30～80重量％，Y-PSZ粉末70～20重量％；
b.在混合粉末中加入粘结剂，混炼制成粘性粉末：316L不锈钢/Y-PSZ混合粉末90～99重量％，粘结剂10～1重量％，在粘结剂中粉末状水溶性羟丙基甲基纤维素HPMC的含量为1～10重量％，去离子水的含量为99～90重量％；将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存12～48小时，以使其充分熟成；
c.混炼均匀的粘性粉末在模具中压制成型：成型压力为200～600MPa，压制速度为0.1～10mm/分钟，保载时间为1～5分钟；
d.将得到的压制成型坯进行热脱脂，脱脂工艺为：以5～10℃/分钟的升温速度升温至100～150℃，保温0.5～5小时；再以5～15℃/分钟的升温速度升温至400～600℃，保温4～8小时；
e.脱脂后的坯体进行真空烧结，烧结工艺为：随炉升温至300～700℃，真空抽至极限1.0×10-1～1.0×10-2Pa；以5～10℃/分钟的升温速度升温至900～1100℃；再以5～10℃/分钟的升温速度升温至1200～1400℃，保温1～3小时；以10～5℃/分钟的降温速度降温至900～1100℃；再以10～5℃/分钟的降温速度降温至600～800℃；然后随炉冷却。
4、根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：脱脂后的坯体进行气压烧结，烧结工艺为：抽气至炉内气压达到1.0×10-2～50Pa；随炉升温至300～700℃；以5～10℃/分钟的升温速度升温至900～1100℃；再以5～10℃/分钟的升温速度升温至1200～1400℃，保温1～3小时，然后充惰性气体1～30分钟至气压达到0.1～10MPa，保温保压1～3小时；以10～5℃/分钟的降温速度降温至900～1100℃；再以10～5℃/分钟的降温速度降温至600～800℃；然后随炉冷却。
5、根据权利要求3或权利要求4所述的制备方法，其特征在于：脱脂后的坯体在1200～1400℃范围采用增加烧结压力或二次烧结、温度梯度烧结，改善烧结体的组织和性能。
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