專利名稱：一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的耐磨性能要求越來(lái)越高，冶金、礦山、建材、電力、化工、 煤炭和農(nóng)業(yè)等部門分別要用到礦山機(jī)械、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和各種破碎粉磨機(jī)械，這些機(jī)械設(shè)備的易損件要受到砂石、礦石、土壤等各種物料和研磨體的磨損，每年要消耗大量金屬。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能源的1/3 1/2消耗與摩擦和磨損有關(guān)。對(duì)材料來(lái)說(shuō)，約80%的零件失效是由磨損引起的，其中因磨料磨損而失效的約占50%，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)用于磨料磨損工況的耐磨鋼鐵件，每年要消耗200多萬(wàn)噸。由此，開發(fā)研制出一種能在磨損工況下，具有較長(zhǎng)使用壽命的新材質(zhì)顯得極為重要。在工業(yè)中的許多領(lǐng)域存在惡劣的工作環(huán)境，要求工作零部件同時(shí)具備耐磨耐熱或耐磨耐蝕綜合性能，因此具有單一性能的材料已不能滿足工況的需求。復(fù)合材料由于是將兩種或以上具有不同特性的材料，通過物理或化學(xué)的方法將它們有機(jī)結(jié)合在一起，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，因此材料具有優(yōu)異的綜合性能。近幾年來(lái)，對(duì)復(fù)合材料制備工藝的研究做了大量的工作，開發(fā)了多種工藝。這些工藝方法用于制造有色金屬?gòu)?fù)合材料時(shí)，由于有色金屬大多數(shù)熔點(diǎn)低，與很多增強(qiáng)顆粒間浸潤(rùn)性好，因此取得了很好的效果。如SiC增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料制造活塞，使用壽命大幅度提高。然而對(duì)黑色金屬而言，由于熔點(diǎn)高，相互之間冶金反應(yīng)復(fù)雜，因此如何方便地使增強(qiáng)顆粒加入黑色金屬液中，一直是一道難題，這嚴(yán)重影響顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。多年來(lái)，對(duì)顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的工藝研究一直是復(fù)合材料研究的重大課題之一，也取得了一些成果。專利(公開號(hào)1080221)介紹了一種制備顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合材料的鑄造方法，其工藝步驟是先做好鑄型，同時(shí)制備尺寸為負(fù)偏差的消失模，再將消失模放入鑄型中，這樣在消失模和鑄型間就形成空隙。將空隙填滿硬質(zhì)顆粒，合箱抽真空澆注，從而在表面形成含硬質(zhì)顆粒的耐磨材料。該方法工序復(fù)雜，不能很好的將消失模負(fù)壓鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)利用起來(lái)，生產(chǎn)效率低，且復(fù)合層厚度和質(zhì)量難以保證。 CN1383945A公開了一種顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，它的工序步驟是先做好泡沫塑料模，在鑄件需要制作復(fù)合材料的部位，將模制作成兩部分粘結(jié)，其中之一制有溝槽，然后將混制好的增強(qiáng)顆粒填滿溝槽，再將模的兩部分粘結(jié)起來(lái)，上涂料烘干造型，最后抽真空澆注。這種方法制備較復(fù)雜，不適合實(shí)際生產(chǎn)的需要。CN101053898A介紹了一種制備顆粒增強(qiáng)金屬基表面復(fù)合材料的真空實(shí)型鑄滲方法，這種方法是將增強(qiáng)顆粒制備成與復(fù)合材料所需耐磨表面形狀相適應(yīng)的預(yù)制塊，將其固定在需要合金化的泡沫材料模樣表面，然后按鑄造工藝造型并澆注。這種方法的缺點(diǎn)是泡沫產(chǎn)生的氣體以及復(fù)合層中的粘結(jié)劑氣化產(chǎn)生的氣體使得材料內(nèi)部多出現(xiàn)無(wú)法避免的氣孔缺陷，無(wú)法生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件。
公布了一種局部復(fù)合材料及其制造方法，其是將陶瓷顆粒、有機(jī)粘結(jié)劑與普碳鋼基、耐熱鋼基或鎳基粉末混勻，壓制成所需形狀的預(yù)制塊，置于需強(qiáng)化的鑄件的鑄型局部，澆注金屬即可。這種方法制作的局部復(fù)合材料，易產(chǎn)生夾渣缺陷，并且復(fù)合層與基材金屬的界面結(jié)合效果相對(duì)較差，在收到?jīng)_擊作用下，會(huì)使復(fù)合層脫落而失去耐磨的作用。CN101422814A公開了一種局部復(fù)合耐磨材料的制備方法，它是選用高合金粉芯管絲，根據(jù)工件表面的形狀，裁剪、卷制或疊加制成相似結(jié)構(gòu)；按照鑄造工藝造型，將制作好的高合金粉芯管絲預(yù)埋入砂型型腔中，冶煉基材金屬材料澆注，從而得到所需復(fù)合材料。這種方法的缺點(diǎn)在于易形成夾渣缺陷，用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)工藝可控性較差，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，通過該方法在鋼鐵基中形成網(wǎng)狀的陶瓷顆粒硬質(zhì)相分布，并與鋼鐵基有效的結(jié)合成一體，充分發(fā)揮硬質(zhì)相的高耐磨特性，也保留了基材金屬的良好韌性，從而達(dá)到最佳的性能匹配，能制作成多種結(jié)構(gòu)形狀的產(chǎn)品(無(wú)論是整體增強(qiáng)還是局部增強(qiáng)，而且可直接做成零部件、不需二次加工)，開發(fā)應(yīng)用前景廣闊。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明通過下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，經(jīng)過下列各步驟
(1)用粉末燒結(jié)將硬質(zhì)陶瓷顆粒和合金粉的混合物燒結(jié)成條狀塊或用粘結(jié)劑粘結(jié)將硬質(zhì)陶瓷顆粒和合金粉的混合物粘結(jié)成條狀塊；其中，合金粉占條狀塊體積的0 60% ；
(2)將步驟(1)的條狀塊按照工件工作面的形狀拼接成相應(yīng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(局部復(fù)合的情況)，或者將步驟(1)的條狀塊經(jīng)過拼接和疊加后，形成網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)(整體復(fù)合的情況)；采用常規(guī)砂型鑄造或消失模鑄造，熔煉基材金屬材料至澆注溫度后，將其澆注入預(yù)埋有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)的型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒是碳化硅、碳化鎢、氮化硅、氮化鈦、氧化鋁的一種或任意幾種；當(dāng)硬質(zhì)陶瓷顆粒是兩種或兩種以上時(shí)，各種硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒度相同。所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒徑為-10 +80目。所述步驟(1)的合金粉為鉬鐵粉、鎢鐵粉、高碳鉻鐵粉、錳鐵粉或鎳自熔合金粉。所述步驟(2)的條狀塊拼接成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)占工件耐磨層體積分?jǐn)?shù)的20 80%。所述步驟(2)的條塊狀拼接和疊加成的網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)時(shí)，每層條塊狀的間距根據(jù)工況需要而定。所述步驟(2)的基材金屬材料為鋼或鐵。所述鋼為普通碳鋼、合金鋼或高錳鋼。所述鐵為灰鑄鐵或球墨鑄鐵。本發(fā)明的機(jī)理是，由于將硬質(zhì)陶瓷顆粒燒結(jié)成網(wǎng)狀，在基材金屬液的高溫作用下， 硬質(zhì)陶瓷顆粒與基材金屬液發(fā)生冶金化合反應(yīng)，同時(shí)由于硬質(zhì)陶瓷顆粒的吸熱作用，降低了局部的溫度，縮短了結(jié)晶過程，阻礙了硬質(zhì)陶瓷顆粒中的元素進(jìn)一步擴(kuò)散，從而使硬質(zhì)陶瓷顆粒網(wǎng)與基材金屬形成良好的冶金過渡結(jié)合，界面結(jié)合牢固，耐磨性與韌性有機(jī)統(tǒng)一，整體性能顯著提高。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、由于將硬質(zhì)陶瓷顆粒燒結(jié)成網(wǎng)狀，在基材金屬液的高溫作用下，硬質(zhì)陶瓷顆粒與基材金屬液發(fā)生冶金化合反應(yīng)，同時(shí)由于硬質(zhì)陶瓷顆粒的吸熱作用，降低了局部的溫度，縮短了結(jié)晶過程，阻礙了硬質(zhì)陶瓷顆粒中的元素進(jìn)一步擴(kuò)散，從而使硬質(zhì)陶瓷顆粒網(wǎng)與基材金屬形成良好的冶金過渡結(jié)合，界面結(jié)合牢固，耐磨性與韌性有機(jī)統(tǒng)一，整體性能顯著提高。2、硬質(zhì)陶瓷顆粒可根據(jù)工件的使用要求進(jìn)行配比，成分可調(diào)，適應(yīng)性廣。3、可根據(jù)工件工作面的磨損要求，局部復(fù)合時(shí)可設(shè)置硬質(zhì)陶瓷顆粒網(wǎng)所占的體積分?jǐn)?shù)，整體復(fù)合時(shí)可設(shè)置硬質(zhì)陶瓷塊之間的間距，達(dá)到最佳的使用效果，節(jié)約金屬。4、該方法制備的網(wǎng)狀復(fù)合材料充分發(fā)揮了陶瓷顆粒硬質(zhì)相的高耐磨性能和鋼鐵基的良好韌性，調(diào)控方便，工藝可靠，解決了復(fù)合材料反應(yīng)不完全，增強(qiáng)相顆粒分布不均勻， 增強(qiáng)相界面污染弱化等難題，可廣泛應(yīng)用于礦山、電力、冶金、煤炭、建材等耐磨領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明所得陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料中耐磨層的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明制備陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料(局部復(fù)合的情況)的澆注示意
圖3是本發(fā)明制備陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1
(1)用粉末燒結(jié)將粒徑為-20 +30目的氧化鋁顆粒燒結(jié)成條狀塊；
(2)將步驟(1)的條狀塊按照工件工作面的形狀拼接成相應(yīng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(局部復(fù)合的情況)，占工件耐磨層體積分?jǐn)?shù)的50%，采用常規(guī)砂型鑄造，如圖2，熔煉高錳鋼至澆注溫度后， 將其通過砂型6中間的澆冒口 5澆注入預(yù)埋有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)3的型腔4中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到由氧化鋁耐磨層1和高錳鋼基材金屬層2組成的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。實(shí)施例2
(1)用粉末燒結(jié)將鉬鐵粉和粒徑為60目的碳化硅和碳化鎢顆粒的混合物燒結(jié)成條狀塊；其中，合金粉占條狀塊體積的20% ；
(2)將步驟(1)的條狀塊經(jīng)過拼接和疊加后，形成網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)(整體復(fù)合的情況)，每層條塊狀的間距為3mm;采用常規(guī)砂型鑄造，熔煉灰鑄鐵HT300材質(zhì)至澆注溫度 1530°C后，將其澆注入預(yù)埋有網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)的型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。實(shí)施例3
(1)用粘結(jié)劑粘結(jié)將鎢鐵粉和粒徑為10目的氮化硅和氮化鈦顆粒的混合物粘結(jié)成條狀塊；其中，合金粉占條狀塊體積的60% ；
(2)將步驟(1)的條狀塊按照工件工作面的形狀拼接成相應(yīng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(局部復(fù)合的情況)，占工件耐磨層體積分?jǐn)?shù)的20%，采用常規(guī)消失模鑄造，熔煉灰鑄鐵至澆注溫度后，將其澆注入預(yù)埋有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。
實(shí)施例4
(1)用粘結(jié)劑粘結(jié)將高碳鉻鐵粉和粒徑為80目的碳化鎢和氮化硅顆粒的混合物粘結(jié)成條狀塊；其中，合金粉占條狀塊體積的10% ；
(2)將步驟(1)的條狀塊按照工件工作面的形狀拼接成相應(yīng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(局部復(fù)合的情況)，占工件耐磨層體積分?jǐn)?shù)的80%，采用常規(guī)砂型鑄造，熔煉球墨鑄鐵至澆注溫度后，將其澆注入預(yù)埋有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。實(shí)施例5
(1)用粉末燒結(jié)將粒徑為40目的碳化鎢顆粒和錳鐵粉的混合物燒結(jié)成條狀塊；其中， 合金粉占條狀塊體積的50% ；
(2)將步驟(1)的條狀塊經(jīng)過拼接和疊加后，形成網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)(整體復(fù)合的情況)，每層條塊狀的間距為IOmm ；采用常規(guī)消失模鑄造，熔煉合金鋼至澆注溫度后，將其澆注入預(yù)埋有網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)的型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。實(shí)施例6
(1)用粘結(jié)劑粘結(jié)將鎳自熔合金粉和粒徑為80目的氮化鈦和氧化鋁顆粒的混合物粘結(jié)成條狀塊；其中，合金粉占條狀塊體積的4% ；
(2)將步驟(1)的條狀塊經(jīng)過拼接和疊加后，形成網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)(整體復(fù)合的情況)，每層條塊狀的間距為0. 2mm ；采用常規(guī)砂型鑄造，熔煉普通碳鋼至澆注溫度后，將其澆注入預(yù)埋有網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)的型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于經(jīng)過下列各步驟(1)用粉末燒結(jié)將硬質(zhì)陶瓷顆粒和合金粉的混合物燒結(jié)成條狀塊或用粘結(jié)劑粘結(jié)將硬質(zhì)陶瓷顆粒和合金粉的混合物粘結(jié)成條狀塊；其中，合金粉占條狀塊體積的0 60% ；(2)將步驟(1)的條狀塊按照工件工作面的形狀拼接成相應(yīng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，或者將步驟 (1)的條狀塊經(jīng)過拼接和疊加后，形成網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)；采用常規(guī)砂型鑄造或消失模鑄造，熔煉基材金屬材料至澆注溫度后，將其澆注入預(yù)埋有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)的型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒是碳化硅、碳化鎢、氮化硅、氮化鈦、氧化鋁的一種或任意幾種；當(dāng)硬質(zhì)陶瓷顆粒是兩種或兩種以上時(shí)，各種硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的硬質(zhì)陶瓷顆粒的粒徑為-10 +80目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)的合金粉為鉬鐵粉、鎢鐵粉、高碳鉻鐵粉、錳鐵粉或鎳自熔合金粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)的條狀塊拼接成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)占工件耐磨層體積分?jǐn)?shù)的20 80%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)的條塊狀拼接和疊加成的網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)時(shí)，每層條塊狀的間距根據(jù)工況需要而定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)的基材金屬材料為鋼或鐵。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述鋼為普通碳鋼、合金鋼或高錳鋼。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述鐵為灰鑄鐵或球墨鑄鐵。
全文摘要
本發(fā)明提供一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，通過用粉末燒結(jié)將硬質(zhì)陶瓷顆粒和合金粉的混合物燒結(jié)成條狀塊或用粘結(jié)劑粘結(jié)將硬質(zhì)陶瓷顆粒和合金粉的混合物粘結(jié)成條狀塊；將條狀塊拼接成相應(yīng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，或者將條狀塊經(jīng)過拼接和疊加形成網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)；采用常規(guī)砂型鑄造或消失模鑄造，熔煉基材金屬材料，將其澆注入型腔中，室溫冷卻凝固，經(jīng)清砂處理，即得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料。所得網(wǎng)狀復(fù)合材料充分發(fā)揮了陶瓷顆粒硬質(zhì)相的高耐磨性能和鋼鐵基的良好韌性，調(diào)控方便，工藝可靠，解決了復(fù)合材料反應(yīng)不完全，增強(qiáng)相顆粒分布不均勻，增強(qiáng)相界面污染弱化等難題，可廣泛應(yīng)用于礦山、電力、冶金、煤炭、建材等耐磨領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B22D19/14GK102513522SQ201110445138
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者周榮, 山泉, 岑啟宏, 李祖來(lái), 蔣業(yè)華, 隋育棟 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)