本發(fā)明涉及一種碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料及其制備方法，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在礦山、機械、建材等領(lǐng)域使用的工件中，要求工件不僅要具有良好的耐磨性以延長使用壽命，而且還要具有良好的熱物理性能來確保工件使用的安全性，避免工件在激冷激熱、高速、高沖擊等復(fù)雜工況環(huán)境下產(chǎn)生裂紋，使材料失效。目前，為了解工件在特殊復(fù)雜工況條件下作業(yè)，科研者們研發(fā)了耐磨鋼。雖以耐磨鋼為代表生產(chǎn)的金屬件具有很好的熱物理性質(zhì)，可以解決激冷激熱、高速、高沖擊這一復(fù)雜工況，但它們還都有個共同的缺陷就是耐磨性較差，這就嚴重降低了工件的使用壽命，最終導(dǎo)致零件更換頻繁，耗費了大量的人力物力財力，這與我國現(xiàn)階段推行的“節(jié)能減排”、“綠色經(jīng)濟”政策相違背。盡管現(xiàn)在此類材料缺陷很大，但在未開發(fā)出合適的新材料完全取代該材料的地位之前，這類材料仍然是當今工業(yè)應(yīng)用的主體。因此，為解決這一關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題而研發(fā)出既具有高耐磨性能、又具有良好的力學(xué)性能的材料，不僅是當今科研的一個熱點研究方向，也是為我國搶占新材料應(yīng)用技術(shù)和高端制造所提供一個重要機遇。陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料因其兼有金屬基體良好的韌性和增強顆粒的較高的強度、模量和硬度，且其本身又具有很好的耐磨損，耐腐蝕，易于制備，成本低廉等綜合性能，從而引起各國政府、工業(yè)部門和高?？蒲腥藛T的重視，也使其得到了迅速的發(fā)展，并被譽為先進復(fù)合材料，且部分材料已經(jīng)在工業(yè)中實現(xiàn)了生產(chǎn)應(yīng)用。

中國發(fā)明專利 CN104209496A介紹了一種制備顆粒增強金屬基表面復(fù)合材料的裝置及方法，這種方法是將增強顆粒放置于自制的真空實型鑄滲裝置中的石英管中，借助真空密封技術(shù)，提高金屬液的充型能力，以利于金屬液在增強顆粒間的滲透，從而獲得更厚的復(fù)合層；這種方法的缺點是泡沫燃燒產(chǎn)生的氣體及復(fù)合層中的粘結(jié)劑氣化產(chǎn)生的氣體都會使復(fù)合材料內(nèi)部容易出現(xiàn)氣孔的缺陷，無法生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和致密性較高的零部件，并且復(fù)合層內(nèi)的增強顆粒難以避免的產(chǎn)生分布不均勻等現(xiàn)象，影響復(fù)合材料的使用壽命。

中國發(fā)明專利 CN103667851A公布了一種顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，先將顆粒和基體粉末進行球磨混粉，然后利用放電等離子燒結(jié)（SPS）將混合粉末燒結(jié)成預(yù)制坯，最后將預(yù)制坯放入真空管式爐中進行重熔，這種方法制備的復(fù)合材料優(yōu)點是可以使增強顆粒均勻的分布在復(fù)合材料內(nèi)部，缺點是由于顆粒與基體潤濕性較差，而重熔溫度又不高，導(dǎo)致增強顆粒與基體不能發(fā)生充分的冶金反應(yīng)，生成的界面寬度較低，最終使復(fù)合材料的力學(xué)性能提高的很少，且此工藝性價比也很低，從而限制了它在工業(yè)上的使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料，由復(fù)合層、基材層、過渡層三層構(gòu)成，過渡層位于基材層和復(fù)合層之間，所述復(fù)合層為碳化鎢顆粒與45鋼金屬粉的混合粉末，過渡層為鎢粉與45鋼金屬粉的混合粉末，基材層為45鋼金屬粉。

所述復(fù)合層混合粉末中45鋼金屬粉的體積百分數(shù)為50~90%，碳化鎢顆粒的體積百分數(shù)為10~50%。

所述碳化鎢顆粒為鑄造碳化鎢顆粒，為不規(guī)則形和/或球形顆粒，粒度為180~550μm。

所述過渡層混合粉末中45鋼金屬粉的質(zhì)量百分數(shù)為50~90%，鎢粉的質(zhì)量百分數(shù)為10~50%，鎢粉的粒度為0.6~30μm。

本發(fā)明的另一目的在于提供所述碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

（1）粉末準備：按照比例將鎢粉與45鋼金屬粉進行混合，球磨得到過渡層混合粉末，將碳化鎢顆粒與45鋼金屬粉進行混合，球磨得到復(fù)合層混合粉末，分別球磨8~10h，保證粉末混合均勻，并單獨準備基材層45鋼金屬粉；

（2）預(yù)制坯壓制：將步驟（1）得到的復(fù)合層混合粉末、過渡層混合粉末和基材層45鋼金屬粉依次鋪層，利用動磁壓制技術(shù)將其壓制成壓坯，得到碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料預(yù)制坯，將預(yù)制坯放置于剛玉舟中，再將預(yù)制坯與剛玉舟一同放入到大陶瓷舟中，防止熔融的液態(tài)金屬溢出，起到保護管式爐的目的；

（3）真空燒結(jié)：將步驟（2）大陶瓷舟放入管式爐中進行燒結(jié)，管式爐抽真空至真空度低于28Pa，燒結(jié)工藝為：以5~8℃/min 的升溫速率升至500℃，以10~15℃/min的升溫速率升溫至800℃，以5~8℃/min 的升溫速率升至1000℃，以3~5℃/min 的升溫速率升至1400~1500℃，保溫100~120min，燒結(jié)完成后，隨爐冷卻，冷卻過程保持原來的真空度，得到碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料。

步驟（1）所述球磨機轉(zhuǎn)速為200~300r/min。

本發(fā)明與目前已有的制備技術(shù)相比具有以下特點：

（1）增加了鎢粉和45鋼金屬粉的混合粉末的過渡層，使得復(fù)合材料界面上受力時不易產(chǎn)生微裂紋，防止復(fù)合層脫落，此過渡層的存在能夠避免復(fù)合層與基材層在性能上發(fā)生突變，可以提高復(fù)合層與基材層的結(jié)合強度，即結(jié)構(gòu)上的過渡導(dǎo)致性能上的過渡。

（2）本發(fā)明采用動磁壓制技術(shù)壓制預(yù)制坯，無需使用模具，可以達到很高的壓制壓力，維修費用和成本也較低，而且，粉末中不需添加任何潤滑劑和粘結(jié)劑，有利于燒結(jié)和環(huán)保，而且壓坯的密度較高，從而降低了燒結(jié)收縮率。

（3）燒結(jié)過程中，采用階梯式溫度燒結(jié)工藝，能夠保證每一層的組織都能充分反應(yīng)，并且擁有良好的致密性。

（4）復(fù)合層中碳化鎢顆粒45鋼金屬粉混合均勻，不易出現(xiàn)偏聚和偏析，且無明顯聚集成團現(xiàn)象，碳化鎢顆粒表面純凈，與45鋼金屬粉充分發(fā)生冶金反應(yīng)，界面結(jié)合強度高且致密結(jié)合良好。

（5）制備出的碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料硬度值較高，耐磨性優(yōu)異，且表面質(zhì)量好，尺寸精度較高，組織致密，沒有夾雜和裂紋等缺陷，復(fù)合材料具有較好的抗沖擊、抗氧化能力，且同時兼有增強顆粒高硬度、高耐磨性、高耐蝕性等優(yōu)良特性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1動磁壓制技術(shù)高強磁場下壓制原理圖；

圖2為本發(fā)明實施例1不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料SEM形貌圖；

圖3為本發(fā)明實施例1不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料復(fù)合層的XRD衍射圖譜；

圖4為本發(fā)明實施例1不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料的照片；

圖5為本發(fā)明實施例2球形碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料SEM形貌圖；

圖6為本發(fā)明實施例2球形碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料復(fù)合層的XRD衍射圖譜；

圖中：1-圓柱形導(dǎo)電容器，2-復(fù)合層，3-過渡層，4-基材層，5-線圈。

具體實施方式

以下通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于所述內(nèi)容

實施例1

本實施例所述碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料，由復(fù)合層、過渡層、基材層三層構(gòu)成，厚度分別為12mm、9mm、12mm，過渡層位于基材層和復(fù)合層之間，復(fù)合層為碳化鎢顆粒與45鋼金屬粉的混合粉末，過渡層為鎢粉與45鋼金屬粉的混合粉末，基材層為45鋼金屬粉，過渡層混合粉末中45鋼金屬粉的質(zhì)量百分數(shù)為70%，鎢粉的質(zhì)量百分數(shù)為30%，鎢粉的粒度為0.6~30μm，復(fù)合層混合粉末中45鋼金屬粉的體積百分數(shù)為60%，碳化鎢顆粒的體積百分數(shù)為40%，碳化鎢顆粒為鑄造碳化鎢顆粒，為不規(guī)則形狀顆粒，粒度為180~250μm。

本實施例所述碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）粉末準備：采用XQM-4L行星式球磨機進行混合粉末的球磨，設(shè)置球磨機的轉(zhuǎn)速為300r/min，按照比例將鎢粉與45鋼金屬粉進行混合，球磨10h得到過渡層混合粉末，將碳化鎢顆粒與45鋼金屬粉進行混合，球磨10h得到復(fù)合層混合粉末，球磨時，大磨球和小磨球的數(shù)量之比為1:5，保證鎢粉和碳化鎢顆粒均勻地分布于與之混合的45鋼金屬粉之中，另外單獨準備基材層45鋼金屬粉；

（2）預(yù)制坯壓制：將步驟（1）得到的三種粉末按照基材區(qū)、過渡區(qū)、復(fù)合區(qū)、過渡區(qū)、基材區(qū)的順序自上而下依次鋪設(shè)于圓柱形導(dǎo)電容器內(nèi)，復(fù)合層、過渡層、基材層厚度分別為12mm、9mm、12mm，利用動磁壓制技術(shù)將其壓制成圓柱體預(yù)制坯，如圖1所示，1為圓柱形導(dǎo)電容器，2為復(fù)合層，3為過渡層，4為基材層，5為線圈，將預(yù)制坯放置于Φ16×70mm剛玉舟中，再將預(yù)制坯與剛玉舟一同放入100×56×35mm的大陶瓷舟中，防止熔融的液態(tài)金屬溢出，起到保護管式爐目的；

（3）真空燒結(jié)：將步驟（2）大陶瓷舟放入管式爐中進行燒結(jié)，先對管式爐進行抽真空，要求管式爐中真空度低于28Pa，其目的是防止混合粉末被氧化，燒結(jié)工藝為：以5℃/min 的升溫速率升至500℃，以10℃/min的升溫速率升溫至800℃，以8℃/min 的升溫速率升至1000℃，以3℃/min 的升溫速率升至1500℃，保溫120min，燒結(jié)完成后，隨爐冷卻，冷卻過程保持原來的真空度，退模沿復(fù)合層中間切開，即可獲得兩個不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料。

本實施例制備的不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料尺寸為Φ12×33mm，對試樣進行壓縮測試，測得壓縮屈服強度為948.6MPa，抗壓強度為1184.73MPa，硬度為70.2HRC。

利用掃描電鏡（SEM）觀察到本實施例制備得到的不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料形貌，如圖2所示，不規(guī)則碳化鎢顆粒周圍有明顯的界面反應(yīng)區(qū)，且不規(guī)則碳化鎢顆粒在復(fù)合材料中的平面形態(tài)都趨于圓形，且有向規(guī)則（球形）碳化鎢顆粒變化的趨勢，這是由于不規(guī)則碳化鎢顆粒大多具有比較凸出的地方且并不十分規(guī)整，這些凸出部分將優(yōu)先于其它平整或者凹處部分反應(yīng)熔解，故不規(guī)則碳化鎢顆粒有向規(guī)則碳化鎢顆粒變化的趨勢；對實施例1所制備得到的不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料進行XRD分析，如圖3所示，可以看出制備的不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料由WC、W₂C、Fe₃W₃C和α-Fe組成，揭示了復(fù)合層以及添加鎢粉的過渡層其物相組成，證明過渡層鎢元素會向復(fù)合層和基材層擴散，而向兩邊擴散后生成的界面相能夠避免復(fù)合層和基材組織在性能上的突變，提高復(fù)合層與基材的結(jié)合強度，進而避免復(fù)合層剝落以提高復(fù)合材料耐磨性；圖4為實際得到的不規(guī)則碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料，從圖中可以看出材料明顯分為復(fù)合層、過渡層、基材層，且三層結(jié)合緊密。

實施例2

本實施例所述碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料，由復(fù)合層、過渡層、基材層三層構(gòu)成，厚度分別為10mm、8mm、10mm，過渡層位于基材層和復(fù)合層之間，復(fù)合層為碳化鎢顆粒與45鋼金屬粉的混合粉末，過渡層為鎢粉與45鋼金屬粉的混合粉末，基材層為45鋼金屬粉，過渡層混合粉末中45鋼金屬粉的質(zhì)量百分數(shù)為90%，鎢粉的質(zhì)量百分數(shù)為10%，鎢粉的粒度為0.6~15μm，復(fù)合層混合粉末中45鋼金屬粉的體積百分數(shù)為90%，碳化鎢顆粒的體積百分數(shù)為10%，碳化鎢顆粒為鑄造碳化鎢顆粒，為球形顆粒，粒度為380~550μm。

本實施例所述碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料的其制備方法，具體包括以下步驟：

（1）粉末準備：采用XQM-4L行星式球磨機進行混合粉末的球磨，設(shè)置球磨機的轉(zhuǎn)速為200r/min，按照比例將鎢粉與45鋼金屬粉進行混合，球磨9h得到過渡層混合粉末，將碳化鎢顆粒與45鋼金屬粉進行混合，球磨8h得到復(fù)合層混合粉末，球磨時，大磨球和小磨球的數(shù)量之比為1:5，保證鎢粉和碳化鎢顆粒均勻地分布于與之混合的45鋼金屬粉之中，另外單獨準備基材層45鋼金屬粉；

（2）預(yù)制坯壓制：將步驟（1）得到的三種粉末按照基材區(qū)、過渡區(qū)、復(fù)合區(qū)、過渡區(qū)以及基材區(qū)的順序自上而下依次鋪設(shè)于導(dǎo)電容器內(nèi)，復(fù)合層、過渡層、基材層厚度分別為10mm、8mm、10mm，利用動磁壓制技術(shù)將其壓制成圓柱體壓坯。將預(yù)制坯放置于Φ16×60mm剛玉舟中，再將預(yù)制坯與剛玉舟一同放入100×56×35mm的大陶瓷舟中，防止熔融的液態(tài)金屬溢出，起到保護管式爐目的；

（3）真空燒結(jié)：將步驟（2）大陶瓷舟放入管式爐中進行燒結(jié)，先對管式爐進行抽真空，要求管式爐中真空度要低于28Pa，其目的是防止混合粉末被氧化，燒結(jié)工藝為：以8℃/min 的升溫速率升至500℃，以15℃/min的升溫速率升溫至800℃，以5℃/min 的升溫速率升至1000℃，以5℃/min 的升溫速率升至1400℃，保溫110min，燒結(jié)完成后，隨爐冷卻，冷卻過程保持原來的真空度，退模沿復(fù)合層中間切開，即可獲得兩個球形碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料。

本實施例制備的球形碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料尺寸為Φ13×28mm，對試樣進行壓縮測試，測得壓縮屈服強度為963.4MPa，抗壓強度為1216.49MPa，硬度為69.3HRC，完全符合力學(xué)測試性能要求。

利用掃描電鏡（SEM）觀察到本實施例制備得到的球形碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料形貌，如圖5所示，球形碳化鎢顆粒與金屬基體發(fā)生冶金界面反應(yīng)，顆粒分布均勻，無聚集成團現(xiàn)象，球形碳化鎢顆粒呈較規(guī)則的球形，界面形態(tài)呈現(xiàn)不連續(xù)狀，其界面組成物為間斷的塊狀結(jié)構(gòu)；對實施例2所制備得到的碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料進行XRD分析，實施例2的碳化鎢為圓形顆粒，如圖6所示，可以看出制備的球形碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料由WC、W₂C、Fe₃W₃C和α-Fe組成，揭示了復(fù)合層以及添加鎢粉的過渡層其物相組成，證明過渡層鎢元素會向復(fù)合層和基材層擴散，而向兩邊擴散后生成的界面相能夠避免復(fù)合層和基材組織在性能上的突變，提高復(fù)合層與基材的結(jié)合強度，進而避免復(fù)合層剝落以提高復(fù)合材料耐磨性。

實施例3

本實施例所述碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料，由復(fù)合層、過渡層、基材層三層構(gòu)成，厚度分別為8mm、8mm、8mm，過渡層位于基材層和復(fù)合層之間，復(fù)合層為碳化鎢顆粒與45鋼金屬粉的混合粉末，過渡層為鎢粉與45鋼金屬粉的混合粉末，基材層為45鋼金屬粉，過渡層混合粉末中45鋼金屬粉的質(zhì)量百分數(shù)為50%，鎢粉的質(zhì)量百分數(shù)為50%，鎢粉的粒度為15~30μm，復(fù)合層混合粉末中45鋼金屬粉的體積百分數(shù)為50%，碳化鎢顆粒的體積百分數(shù)為50%，碳化鎢顆粒為鑄造碳化鎢顆粒，為不規(guī)則形和球形兩種顆粒混合，粒度為180~400μm。

本實施例所述碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料的其制備方法，具體包括以下步驟：

（1）粉末準備：采用XQM-4L行星式球磨機進行混合粉末的球磨，設(shè)置球磨機的轉(zhuǎn)速為250r/min，按照比例將鎢粉與45鋼金屬粉進行混合，球磨8h得到過渡層混合粉末，將碳化鎢顆粒與45鋼金屬粉進行混合，球磨9h得到復(fù)合層混合粉末，球磨時，大磨球和小磨球的數(shù)量之比為1:5，保證鎢粉和碳化鎢顆粒均勻地分布于與之混合的45鋼金屬粉之中，另外單獨準備基材層45鋼金屬粉；

（2）預(yù)制坯壓制：將步驟（1）得到的三種粉末按照基材區(qū)、過渡區(qū)、復(fù)合區(qū)、過渡區(qū)、基材區(qū)的順序自上而下依次鋪設(shè)于導(dǎo)電容器內(nèi)，復(fù)合層、過渡層、基材層厚度分別為8mm、8mm、8mm，利用動磁壓制技術(shù)將其壓制成圓柱體壓坯，將預(yù)制坯放置于Φ16×60mm剛玉舟中，再將預(yù)制坯與剛玉舟一同放入100×56×35mm的大陶瓷舟中，防止熔融的液態(tài)金屬溢出，起到保護管式爐目的；

（3）真空燒結(jié)：將步驟（2）大陶瓷舟放入管式爐中進行燒結(jié)，先對管式爐進行抽真空，要求管式爐中真空度要低于28Pa，其目的是防止混合粉末被氧化，燒結(jié)工藝為：以6℃/min 的升溫速率升至500℃，以12℃/min的升溫速率升溫至800℃，以6℃/min 的升溫速率升至1000℃，以4℃/min 的升溫速率升至1480℃，保溫100min，燒結(jié)完成后，隨爐冷卻，冷卻過程保持原來的真空度，退模沿復(fù)合層中間切開，即可獲得兩個混合碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料。

本實施例制備的混合碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合材料尺寸為Φ14×24mm，對試樣進行壓縮測試，測得壓縮屈服強度為948.1MPa，抗壓強度為1284.36MPa，硬度為67.9HRC，完全符合力學(xué)測試性能要求。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。