專利名稱：一種復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陶瓷增強金屬復合耐磨材料技術領域，尤其是涉及一種復相蜂 窩陶瓷與鋼鐵復合材料及其制備方法。
背景技術：
金屬一陶瓷復合耐磨材料主要應用于冶金、建材、礦山、耐火材料及電力 等領域物料破碎及研磨裝備中的耐磨件，如輥套、襯板、磨環(huán)、磨盤等，是為 了滿足更高的耐磨性要求而研制開發(fā)的。金屬一陶瓷復合材料主要指以金屬為 基體添加陶瓷增強相的一類復合材料，其中非金屬部分主要包括氧化物、硼 化物、氮化物和硅化物。非金屬成分使金屬-陶瓷復合材料具有所要求的硬度 和耐磨性，金屬一陶瓷復合材料的性能取決于金屬的性能、陶瓷的性能及兩者 的結合強度。金屬一陶瓷復合材料優(yōu)良的性能可使其在很多領域中得到應用。
目前陶瓷一金屬復合材料的制備方法主要有粉末冶金、共噴射沉積、攪拌 混合、擠壓鑄造、原位生成等。目前的陶瓷一金屬復合材料制作工藝復雜、成 本較高，復合材料中陶瓷的位置及體積分數(shù)較難控制，陶瓷的分布不均勻，目 前復合材料中陶瓷和金屬的體積比以及陶瓷的分布情況均不能很好的保證材 料良好的綜合性能和耐磨性能。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料，該 復合材料成本較低，耐磨性和韌性較好。
為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案
該復合材料以鋼鐵為基體，以復相蜂窩陶瓷為增強相，并采用鑄造法將所述基體和增強相復合為一體。
進一步，所述基體采用鑄鐵或鑄鋼；所述增強相為ZrOrAl203復相蜂窩 陶瓷。
進一步，ZrO2-Al2O3復相蜂窩陶瓷中ZrO2的含量在60n/。 90y。之間，其余 為A1203。
本發(fā)明還提供所述復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料的制備方法，包括以下
步驟
首先，對Zr02-Al203復相蜂窩陶瓷進行表面預處理；然后，把Zr02-Al203
復相蜂窩陶瓷固定在砂型中；最后，將熔煉好的鋼鐵金屬液澆注到鑄型中，冷 卻凝固成型后即得所述復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料。
進一步，所述的表面預處理包括依次進行的表面除油、表面粗化、活化、 敏化和表面鍍活性金屬步驟。
進一步，所述的表面鍍活性金屬步驟中，所述的活性金屬為鎳或鈦。進一
本發(fā)明的有益效果是 本發(fā)明的復合材料中所述增強相使復合材料具有所要求的硬度和耐磨性，鋼鐵
材料為陶瓷材料提供了基體支撐。金屬陶瓷結合使復合材料具有良好耐磨性能 和一定沖擊韌性。滿足中低載荷下對耐磨性和沖擊韌度的要求。本發(fā)明所述復 相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料的制備方法是采用先把若干Zr02-Al203復相蜂窩 陶瓷均勻固定于鑄型中，然后采用鑄造工藝澆注高溫鋼鐵金屬液的方法，具有 準確控制蜂窩陶瓷的位置及體積分數(shù)、實現(xiàn)陶瓷的均勻分布從而 證耐磨材料 良好的綜合性能和耐磨性能，并有效降低制造成本。對于Zr02-Al203復相蜂 窩陶瓷進行預處理和表面活化處理，使其表面形成一層活性金屬(如Ni、 Ti等) 薄膜，提高陶瓷材料與金屬液之間的潤濕性，從而實現(xiàn)陶瓷相增強體和金屬材料的良好結合。本發(fā)明的制備方法方便易行，可以保證蜂窩陶瓷準確定位；可 以通過改變蜂窩陶瓷的空隙率，得到合理的陶瓷金屬體積比，保證材料良好的 綜合性能和耐磨性能。與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的復合材料的制備方法采用鑄造 法，在工業(yè)生產(chǎn)中更易實現(xiàn)，成本低，效率高。
本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡 述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯 而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可 以通過下面的說明書，權利要求書所特別指出的方式來實現(xiàn)和獲得。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發(fā)明作進一步描述，但不限于下列實施例。 實施例1
本實施例的復合材料以鋼鐵為基體，以復相蜂窩陶瓷為增強相，并采用鑄 造法將所述基體和增強相復合為一體。所述的基體鋼鐵材料采用高鉻鑄鐵；所 述增強相為Zr(VAl203復相蜂窩陶瓷。Zr02-Al203復相蜂窩陶瓷中Zr02的含 量為60%，其余為八1203。制備過程如下 1、復相蜂窩陶瓷的處理 1.1基本的機械處理
打磨陶瓷至需要的粗糙度。 1.2表面除油
為除去陶瓷表面的灰塵和油漬污染，增加其表面的潤濕性，將基體在無水 酒精中浸泡約20min。1.3表面粗化
用80。/。(體積百分比)以上的HF，浸泡陶瓷，時間為20 40min。 1.4敏化
將粗化后的陶瓷放入SnCL2 (0.1mol/l)、 HCL (100ml/l)和兩粒金屬錫粒 配成的溶液在常溫下敏化lOmin。為了防止SnCL2發(fā)生水解，配制溶液時需先 把SnCL2加入濃鹽酸溶液中，然后再用水稀釋，如有白色沉淀生成需過濾。 敏化后放在蒸餾水中進行超聲波清洗。 1.5活化
再用PdCl2 (0.25g/l)和HC1 (lOml/1)的溶液對材料進行活化。在5(TC時 浸泡7min以上后用蒸餾水清洗。活化后在7(TC左右的烘箱中烘干。 1.6表面鍍活性金屬
本步驟在活化后的陶瓷表面鍍鎳。化學鍍鎳的工藝為采用硫酸鎳15g/1， 次亞磷酸鈉25g/l，丙酸鈉13g/l，pH值在4.5 5.5之間的酸性鍍液；溫度為5 4(TC; 施鍍時間為8.5h。用一步法配制酸性鍍液，將配制好的500ml鍍液放入恒溫水 浴鍋中加熱，35"C時將處理過的陶瓷放入鍍液中施鍍，達到施鍍時間后使用木 鑷子取出樣品。
2、 金屬熔煉工藝
本實施例中高鉻鑄鐵熔煉時應注意加料順序，大塊料放在爐底，周圍用小 塊料填實，這樣有利于提高初始送電功率縮短熔煉時間。熔煉溫度控制在 150(TC左右，迅速過熱到1540 158(TC出爐。為了避免澆包與鐵液間的溫差過 大，造成鐵液溫度過低，造成組織不均勻，在出爐前要預熱澆包。澆注溫度控 制在1400 145(TC。
3、 砂型制備及澆注采用呋喃樹脂砂造型，把經(jīng)過1.6步驟表面鍍活性金屬處理的Zr02-Al203 復合蜂窩陶瓷均勻固定于鑄型中造型，固定時采用粘結劑固定。接著將經(jīng)過2 步驟熔煉好的鐵液澆注到砂型中。 4、熱處理工藝
將經(jīng)過步驟3得到的復合材料依次進行退火、淬火和回火工藝，工藝參數(shù) 如下退火工藝為950'C保溫4h;淬火工藝為1050°C，保溫時間根據(jù)公式T-2 小時+ l/2小時x模數(shù)(厘米)算出，空淬；回火工藝為400。C，保溫3h。
本實施例的復合材料性能指標如下
高鉻鑄鐵基體硬度HRC56 62
復合材料沖擊韌度ak: 3 5J/cm2
復合材料相對耐磨性復合材料耐磨性/高鉻鑄鐵耐磨性=2 3 實施例2
本實施例與實施例1基本相同，只是在1.6表面鍍活性金屬步驟中在復相 蜂窩陶瓷表面鍍的金屬材料上有區(qū)別。本實施例的復相蜂窩陶瓷表面鍍的金屬
為鈦，鍍鈦工藝如下
本實施例鍍鈦在加弧輝光離子滲鍍爐上進行。所用電弧源弧靶材料為純
鈦，其純度99.99%，尺寸為〈65mmx42mm。鍍鈦時間為3 12min。鈦金屬的 高溫穩(wěn)定性差，在空氣中極易氧化或氮化，形成高熔點且不易潤濕的氧化鈦、 氮化鈦。因此，在高溫冷卻時，斷掉電弧電源及負偏壓后，應立即充入大量氬 氣，保證氬氣充分的供給。而在整個冷卻過程中，要保證足夠高的真空度，待 試塊完全冷卻后方可出爐以防止氧化。 本實施例的復合材料性能指標如下高鉻鑄鐵基體硬度HRC56 62 復合材料沖擊韌度ak: 3 5J/cm2
復合材料相對耐磨性復合材料耐磨性/高鉻鑄鐵耐磨性=2~3
實施例3
本實施例與實施例1基本相同，所區(qū)別的是本實施例復合材料的鋼鐵基體 采用低合金鋼。金屬熔煉工藝和熱處理工藝步驟中相應地有如下變化-
在金屬熔煉工藝中，熔煉時應注意加料順序，熔煉溫度控制在 1580~160(TC，出爐后快速澆注。為了避免澆包與鐵液間的溫差過大，造成鐵 液溫度過低，造成組織不均勻，在出爐前要預熱澆包。澆注溫度控制在 1400~1450。C。
在熱處理工藝步驟中，退火、淬火和回火的參數(shù)有所改變，退火工藝為 90(TC保溫3h，爐冷。淬火工藝為910'C保溫，保溫時間由公式保溫時間 T二2小時+l/2小時x模數(shù)(厘米)算出。回火工藝為23(TC，保溫3h。 本實施例的復合材料性能指標如下
高鉻鑄鐵基體硬度HRC50-55
復合材料沖擊韌度ak: 15~20J/cm2
復合材料相對耐磨性復合材料耐磨性/高鉻鑄鐵耐磨性=2~3
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，本領 域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫 離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料，其特征在于該復合材料以鋼鐵為基體，以復相蜂窩陶瓷為增強相，并采用鑄造法將所述基體和增強相復合為一體。
2. 根據(jù)權利要求1所述的復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料，其特征在于所 述基體采用鑄鐵或鑄鋼；所述增強相為ZrCVAl203復相蜂窩陶瓷。
3. 根據(jù)權利要求2所述的復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料，其特征在于 ZrOrAl203復相蜂窩陶瓷巾Zr02的含量在60% 90%之間，其余為A1203。
4. 所述復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料的制備方法，包括以下步驟首先，對Zr02-Al203復相蜂窩陶瓷進行表面預處理；然后，把 Zr02-Al203復相蜂窩陶瓷固定在砂型中；最后，將熔煉好的鋼鐵金屬液澆 注到鑄型中，冷卻凝固成型后即得所述復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料。
5. 根據(jù)權利耍求4所述的制備方法，其特征在于所述的表面預處理包括 依次進行的除油、表面粗化、活化、敏化和表面鍍活性金屬步驟。
6. 根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述的表面鍍活性金屬 步驟中，所述的活性金屬為鎳或鈦。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料及其制備方法，該復合材料以鋼鐵為基體，以復相蜂窩陶瓷為增強相，并采用鑄造法將所述基體和增強相復合為一體；制作時，首先，對ZrO<sub>2</sub>-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>復相蜂窩陶瓷進行表面預處理；然后，把ZrO<sub>2</sub>-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>復相蜂窩陶瓷固定在砂型中；最后，將熔煉好的鋼鐵金屬液澆注到鑄型中，冷卻凝固成型后即得所述復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料；該復合材料成本較低，耐磨性和韌性較好，主要應用于冶金、建材、礦山、耐火材料及電力等領域物料破碎及研磨裝備中的耐磨件。
文檔編號B22D19/02GK101628330SQ20091006586
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權日2009年8月21日
發(fā)明者娜 吳, 孫玉福, 栩 徐, 趙靖宇 申請人:鄭州大學