本發(fā)明涉及一種鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，迫切需要能在高速度、高沖擊力和高擠壓力工況下，能保持長(zhǎng)壽命工作的耐磨材料產(chǎn)品，單純一種鋼鐵材料制備的耐磨件越來(lái)越難以滿足現(xiàn)代工業(yè)長(zhǎng)壽命，高效率工作的需求。因而開(kāi)發(fā)新型耐磨材料，提高耐磨材料的使用壽命和降低制造成本是國(guó)內(nèi)外研究和生產(chǎn)部門(mén)急需解決的重要課題，并具有重大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義。提高金屬材料耐磨性能十分有效的途徑就是制備金屬陶瓷顆?；虬袅显鰪?qiáng)金屬基復(fù)合材料。然而，無(wú)論是單純外加還是原位顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，多為整體強(qiáng)化，都不能解決在一個(gè)零件中耐磨性與強(qiáng)韌性這一對(duì)難以解決的致命矛盾，即磨損部分應(yīng)有高的耐磨性，基體（非磨損部位）為了承受不同的載荷和沖擊力而需要高的強(qiáng)韌性（因有隨著耐磨性能的增加）。但是在很多場(chǎng)合，并不要求材料整體都進(jìn)行顆粒增強(qiáng)，如挖掘機(jī)鏟齒僅需齒尖增強(qiáng)，齒褲部分則需具有更好的強(qiáng)韌性，以防止使用過(guò)程中早期斷裂而失效。同樣，破碎機(jī)錘頭僅在錘頭打擊部分需要增強(qiáng)，保持高的硬度，而錘身則需要一定的韌性，避免錘身斷裂失效。此外，整體增強(qiáng)復(fù)合材料成本高，在一定程度上限值了其應(yīng)用范圍，因此，急需開(kāi)發(fā)新型梯度增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)、高韌、高耐磨的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
一種鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料，包括鋼基層和金屬陶瓷層，其特征在于：所述鋼基層由下列組分組成：c:0.01～1.5％，cr:0.1～15％，mo≤2％，ni≤2％，mn≤30％，v≤1.0％，ti≤1.0％，余量為fe；所述金屬陶瓷層包括下列組分組成：c：1.6～4.5％，cr：16～45，mo≤4.0％，ni≤4.0％，mn≤30％，cu≤5.0％，v≤3.0％，ti≤3.0％，余量為fe；所述百分比為重量百分比。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)上述鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的耐磨性能，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，上述金屬陶瓷層組分還包括鎢，鎢的用量由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)耐磨件的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；所述鎢為碳化鎢顆?；虬袅?。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)上述鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的沖擊韌性，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，上述金屬陶瓷層組分還加入鋼筋或龍骨；所述鋼筋的型號(hào)為φ5～φ100，鋼筋的加入量為1～100根。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，上述鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料金屬陶瓷層硬度hrc為60～70度，鋼基層硬度hrc為36～50度，沖擊韌性ak值為40～150j/m3。
鋼基層與金屬陶瓷層的厚度根據(jù)實(shí)際情況需要進(jìn)行確定，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，鋼基層厚度為1～500mm，金屬陶瓷層厚度為1～1000mm。
上述鋼基層和金屬陶瓷層為冶金結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明的目的在于提供一種上述鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法。
方案一
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，上述鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，采用如下步驟：
將上述鋼基層原料和金屬陶瓷層原料分別熔化，在1400～1680℃進(jìn)行鋼基層澆注，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時(shí)，澆注金屬陶瓷層；所述金屬陶瓷層澆注的溫度為1380～1600℃。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，澆注完鋼基層后直接澆注金屬陶瓷層，會(huì)導(dǎo)致鋼基層與金屬陶瓷層混合澆注，從而實(shí)現(xiàn)了整體強(qiáng)化，無(wú)法解決一個(gè)零件中耐磨性與強(qiáng)韌性的致命矛盾；同樣，如果澆注鋼基層時(shí)間過(guò)久，再澆注金屬陶瓷層，會(huì)難以實(shí)現(xiàn)金屬陶瓷層與鋼基層的冶金結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，澆注鋼基層與澆注金屬陶瓷層的時(shí)間間隔為30秒～180分鐘，該時(shí)間間隔隨鋼基層與金屬陶瓷層厚度的增加而增加，以實(shí)現(xiàn)鋼基層與金屬陶瓷層之間的冶金結(jié)合。
方案二
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，上述鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，采用如下步驟：
將上述鋼基層原料和金屬陶瓷層原料分別熔化，在1380～1600℃進(jìn)行金屬陶瓷層澆注，待金屬陶瓷層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時(shí)，澆注鋼基層；所述鋼基層的澆注溫度為1400～1680℃。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，上述鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料澆注完成后，在1020℃～1080℃進(jìn)行淬火熱處理。
有益效果：
本發(fā)明提供了一種鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料，該材料由特定成分的鋼基層和金屬陶瓷層澆注而成，金屬陶瓷層硬度hrc為60～70度，鋼基層硬度hrc為36～50度，沖擊韌性ak值為40～150j/m3，延展性大于15%，抗彎強(qiáng)度大于800mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結(jié)合為冶金結(jié)合，焊接性能良好，有效解決了在同一零件中存在的高耐磨性能（高硬度），與高強(qiáng)、高韌的矛盾問(wèn)題。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
附圖說(shuō)明
圖1為實(shí)施例1制備的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料示意圖，1-金屬陶瓷層，2-鋼基層，3-結(jié)合界面，4-型砂。
實(shí)施例
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述本發(fā)明內(nèi)容對(duì)本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。除特殊說(shuō)明外，本發(fā)明所述百分比均為重量百分比。
實(shí)施例1
鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.45％，cr:3.5％，mo:0.15％，ni:0.33％，mn:1.2％，v:0.18％，ti:0.49％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：3.2％，cr：28％，mo:1.5％，ni:1.0％，mn:1.2％，cu:2.0％，v:0.33％，ti:0.55％，余量為fe。
制備工藝
將上述鋼基層原料和金屬陶瓷層原料分別熔化，對(duì)砂箱進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1650℃的基體鋼水，鋼基層厚度為300mm，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時(shí)（約30分鐘），在真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1480℃的金屬陶瓷液，金屬陶瓷層厚度為500mm。在1050℃左右經(jīng)過(guò)淬火熱處理，熱處理的時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況確定。
鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料示意圖見(jiàn)圖1。
制得的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為63度，鋼基層硬度hrc為45度，沖擊韌性ak值為120j/m3，延展性為18%，抗彎強(qiáng)度為950mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結(jié)合為冶金結(jié)合，具有良好的可焊性，用于制備挖掘機(jī)鏟齒，耐磨性與沖擊韌性好。
實(shí)施例2
鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.55％，cr:6.8％，mo:0.8％，ni:1.2％，mn:12％，v:0.5％，ti:0.5％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：4.0％，cr：35％，mo:3.2％，ni:3％，mn:15％，cu:2.8％，v:1.5％，ti:2.0％，余量為fe。
制備工藝
將上述鋼基層原料和金屬陶瓷層原料分別熔化，對(duì)砂箱進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1620℃的基體鋼水，鋼基層厚度為200mm，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時(shí)（約25分鐘），在真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1480℃的金屬陶瓷液，金屬陶瓷層厚度為350mm。在1020℃左右經(jīng)過(guò)淬火熱處理，熱處理的時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況確定。
制得的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為66度，鋼基層硬度hrc為48度，沖擊韌性ak值為100j/m3，延展性為15%，抗彎強(qiáng)度為850mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結(jié)合為冶金結(jié)合，具有良好的可焊性，用于制備破碎機(jī)錘頭，耐磨性與沖擊韌性好。
實(shí)施例3
鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.40％，cr:6.5％，mo:0.55％，ni:0.80％，mn:12％，v:0.38％，ti:0.62％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：4.2％，cr：35％，mo:2.5％，ni:1.2％，mn:15％，cu:3.0％，v:0.53％，ti:0.75％，w：1.5％，余量為fe。
制備工藝
將上述鋼基層原料熔化，對(duì)砂箱進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1680℃的基體鋼水，鋼基層厚度為500mm，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)（約60分鐘），在真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1520℃的金屬陶瓷液，金屬陶瓷層厚度為800mm。在1080℃左右經(jīng)過(guò)淬火熱處理，熱處理的時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況確定。
制得的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為69度，鋼基層硬度hrc為38度，沖擊韌性ak值為150j/m3，延展性為25%，抗彎強(qiáng)度為1050mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結(jié)合為冶金結(jié)合，具有良好的可焊性，用于制備挖掘機(jī)鏟齒，耐磨性與沖擊韌性好。
實(shí)施例4
鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.50％，cr:4.8％，mo:0.6％，ni:1.0％，mn:2.5％，v:0.35％，ti:0.25％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：4.0％，cr：45％，mo:3.5％，ni:1.8％，mn:5.5％，cu:2.8％，v:0.75％，ti:0.88％，余量為fe。
制備工藝
將上述鋼基層原料熔化，對(duì)砂箱進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1620℃的基體鋼水，鋼基層厚度為500mm。將上述金屬陶瓷層原料熔化，加入適量去水分的碳化鎢熔化，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時(shí)（約180分鐘），在真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1480℃的金屬陶瓷液，澆注時(shí)加入去氧化層、去水分過(guò)后的鋼筋（φ10）5根，以增強(qiáng)金屬陶瓷的韌性，其中金屬陶瓷層厚度為1000mm。在1050℃左右經(jīng)過(guò)淬火熱處理，熱處理的時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況確定。
制得的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為68度，鋼基層硬度hrc為50度，沖擊韌性ak值為90j/m3，延展性為16%，抗彎強(qiáng)度為1020mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結(jié)合為冶金結(jié)合，具有良好的可焊性，用于制備破碎機(jī)錘頭，耐磨性與沖擊韌性好。
實(shí)施例5
鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.45％，cr:6.8％，mo:0.5％，ni:0.7％，mn:1.5％，v:0.45％，ti:0.65％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：4.5％，cr：32％，mo:3.2％，ni:1.2％，mn:8.5％，cu:2.5％，v:0.65％，ti:0.18％，余量為fe。
制備工藝
將上述金屬陶瓷層原料熔化，對(duì)砂箱進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度為1480℃的金屬陶瓷液，澆注時(shí)加入去氧化層、去水分過(guò)后的鋼筋（φ5）3根，以增強(qiáng)金屬陶瓷的韌性，其中金屬陶瓷層厚度為900mm。待金屬陶瓷鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時(shí)（約180分鐘），在真空度為-0.08mpa時(shí)澆入溫度1620℃的基體鋼水，鋼基層厚度為480mm。在1050℃左右經(jīng)過(guò)淬火熱處理，熱處理的時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況確定。
制得的鋼基金屬陶瓷復(fù)合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為70度，鋼基層硬度hrc為45度，沖擊韌性ak值為105j/m3，延展性為16%，抗彎強(qiáng)度為920mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結(jié)合為冶金結(jié)合，具有良好的可焊性，用于制備破碎機(jī)錘頭，耐磨性與沖擊韌性好。