專利名稱：一種阻尼耐磨鋼材料及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于金屬材料領域，涉及一種阻尼耐磨鋼材料，具體涉及一種含有硼氮共 滲鋼絲和碳纖維復合增強的阻尼耐磨鋼材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在金屬材料領域中，阻尼耐磨鋼作為低成本耐磨材料一直受到普遍重視。CN200510078257.X號申請公開了一種特別適用于鋼路道岔的高強度耐磨鋼及 其制造方法。其材質(zhì)化學成份按重量百分比為C 0.25-0.48，Si 0.6-1. 5，Mn 0.8-1.5， Crl-1. 5, Mo 0. 3-0. 5,V 0. 15-0. 25,Ti 0. 05-0. 15,P^O. 03, S^O. 025 ；制造工藝流程為 電弧爐冶煉一真空爐精煉一爐外鋼包精煉一鑄錠一初軋成坯一鍛造成型一形變熱處理。CN200410013944. 9號申請公開了一種高硬度高韌性耐磨鋼，其組成的重量百分比 如下:C :0. 25 0. 55，Si 0. 3 1. 5，Mn 1. 2 4. 5，Cr 0. 8 2. 5，Mo 0. 4 1. 5，Ni 0.3 1. 0，P、S彡0. 06，其余為Fe，同時控制Mn/C值在4. 8 8. 2之間。CN86102543公開了一種鐵一鉻系啞聲減振鋼及其制造方法，該方法在冶煉過程中 添加Si—Ca合金、合金、混合稀土金屬或其合金(稀土一鎂、稀土一韓、稀土一鎂一 硅合金等)中的一種、二種或三種，以脫除鋼中非金屬雜質(zhì)，實現(xiàn)非真空冶煉。其中合金成 分除Fe、Cr外，還含有Mo、Si、Cu、Ti、Mn、C及混合稀土中的三種或三種以上的成分，其抗 拉強度在45 85kg/mm2，內(nèi)耗Q4在200 450X 1(Γ4。然而上述鋼材料均耐磨性不足，不能同時具備較高的耐磨和阻尼性能。且生產(chǎn)成 本較高，工藝復雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述技術(shù)缺陷，提供一種含有硼氮共滲鋼絲和碳纖維復合 增強的阻尼耐磨鋼材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種含有硼氮共滲鋼絲和碳纖維復合增強的阻尼耐磨 鋼材料的制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種阻尼耐磨鋼材料，該材料以阻尼耐磨鋼為基體，在基體中分布著鋼絲團和碳纖維； 所述鋼絲團直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面尺寸為0. 1 0. 4mmX0. 5 1.5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分 比為20 40% ；阻尼耐磨鋼基體的化學成分的重量百分含量為C為0. 45 0. 60%, Si為0. 5% 1%， Mn 為 3 5%, Ρ<0· 08%, S <0. 25%,其余為 Fe ；鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 06 0. 09%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為 0. 3 0. 8%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 500:1。
上述基體中還分布有Mn4B、Fe4N, Si3N4, Fe3B和B4C顆粒。一種阻尼耐磨鋼材料的制備方法如下硼氮共滲鋼絲團和碳纖維的準備取截面為矩形、且尺寸為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm、成分為 C 為 0. 06 -0. 09%，Si 為 0. 2% 0. 3%，Mn 為 0. 3 0. 8%，P<0. 02%, S <0. 025%,其余為！^的鋼絲，以及直徑為7微米，長徑比為100 500:1的T300碳纖維， 所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者的體積占材料的體積百分比 為20 40% ；將鋼絲按清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為 10 15cm，并按常規(guī)化學熱處理的方法在其表面共滲硼氮得到硼氮共滲鋼絲團，所述滲硼 氮層的厚度為50 IOOym;硼氮共滲鋼絲團粘附碳纖維的制備將硼氮共滲鋼絲團浸入水玻璃溶液，所述水玻璃 溶液的濃度為1. 3 1. 5 g/cm3，模數(shù)為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再 將碳纖維揉撒到帶有水玻璃溶液的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固 化后，將若干粘有碳纖維的鋼絲團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材 料的體積百分比決定，且保證鋼絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完 畢后等待鋼水澆注；阻尼耐磨鋼基體的準備按重量百分含量C為0. 45 0. 60%，Si為0. 5% 1%，Mn為 3 5%，P<0. 08%, S <0.2596，其余為！^進行配料；將阻尼耐磨鋼基體在感應電爐中熔化 得到阻尼耐磨鋼水，熔化溫度為1600 1630°C ；將上述阻尼耐磨鋼水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態(tài)鋼水進入鋼絲團間 隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以阻尼耐磨鋼為基體的其中分布有碳纖維和 鋼絲團的材料。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下(1)本發(fā)明材料中的鋼絲自身具有相當?shù)膹姸群洼^高的韌性，鋼絲和耐磨鋼基體都是 鐵，因此鋼絲和耐磨鋼基體很容易結(jié)合起來，形成很好的冶金結(jié)合。這樣，鋼絲分布在耐磨 鋼中，對材料具有很好的增強增韌作用。(2)材料中分布有碳纖維，碳纖維不僅具有減摩作用，而且和鋼絲共同作用，增強 材料的韌性和強度，因此有利于合金耐磨性能提高。(3)成型過程中，當鋼水進入鑄型腔與鋼絲接觸，鋼絲表面的N和B熔于鋼水，鋼水 中的Mn、C和Fe和鋼絲表面的N和B反應形成Mn4B, Fe4N, Si3N4, Fe3B, B4C,形成彌散的化 合物分布于基體中，使得材料硬度高，從而提高材料的耐磨性能。(4)材料中的阻尼耐磨鋼材料中含有硬質(zhì)的鋼絲，同時合金中含有彌散的氮化物、 硼化物，因此硬度高，具有很好的耐磨性能。(5)材料中選用的鋼絲截面為矩形，而且含有細小的碳纖維，因此合金中界面多， 表面積大，使得該材料具有很好的阻尼減振性能；且鋼絲制備成鋼絲團呈球形，利于鋼絲和 其上附著的碳纖維在材料中均勻分布。(6)本發(fā)明中所用材料無貴重元素，主要合金元素由鋼絲帶入，而鋼絲材料成本 低，制備工藝簡便，生產(chǎn)成本低，且生產(chǎn)得到的合金材料性能好，便于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明所 得材料主要用于礦山、煤炭、建材等工業(yè)領域用的耐磨易損件，如筒體襯板、端襯板等。( 7 )本發(fā)明材料中P、S為雜質(zhì)，控制在允許的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的材料性能見表1。


圖1為本發(fā)明實施例一制得的含有硼氮共滲鋼絲和碳纖維復合增強的阻尼耐磨 鋼材料的金相組織。圖1可以看到在阻尼耐磨鋼與鋼絲結(jié)合良好。
具體實施例方式以下各實施例僅用作對本發(fā)明的解釋說明，其中的重量百分比均可換成重量g、kg 或其它重量單位。各實施例中的鋼絲和碳纖維均為市購，滲硼氮層自制。實施例一阻尼耐磨鋼基體的化學成分的重量百分含量c為0. 45%，Si為0. 5%, Mn為3%， P<0. 08%, S <0. 25%,其余為 Fe。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0.06%，Si為0. , Mn為0.3%，P<0. 02%, S<0. 025%,其余為！^ ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. ImmXO. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為100:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 20%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為10cm，并按常規(guī)化學熱處理的方法在其表面共滲硼氮得到硼氮共滲鋼絲團，所述滲 硼氮層的厚度為50 μ m。制備過程如下將硼氮共滲鋼絲團浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃度為1. 3 g/cm3，模數(shù)為2. 6 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒到帶有水玻璃溶液 的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若干粘有碳纖維的鋼絲團 放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比決定，且保證鋼絲 團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待鋼水澆注；將阻尼耐磨鋼基體在感應電爐中熔化得到阻尼耐磨鋼水，熔化溫度為1615 1625°C ； 將上述阻尼耐磨鋼水澆入裝有粘有碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態(tài)鋼水進入鋼絲團間 隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以阻尼耐磨鋼為基體的其中分布有碳纖維和 鋼絲團的材料。實施例二阻尼耐磨鋼基體的化學成分的重量百分含量c為0. 6%，Si為1%，Mn為5%，P<0. 08%, S <0. 25%,其余為 Fe。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0.09%，Si為0.3 Mn為0.8%，P<0. 02%, S<0. 025%,其余為！^ ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. 4mmX 1. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為500:1。鋼絲和碳纖維的重量比為30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 40%。取鋼絲按照清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為15cm,并按常規(guī)化學熱處理的方法在其表面共滲硼氮得到硼氮共滲鋼絲團，所述滲硼氮層 的厚度為100 μ m。制備過程如實施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 5 g/cm3，模數(shù)為3. 0。實施例三阻尼耐磨鋼基體的化學成分的重量百分含量c為0. 5%，Si為0. 7%, Mn為4%， P<0. 08%, S <0. 25%,其余為 Fe。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0.07%，Si為0. 25 Mn為0. 5%， Ρ<0· 02%, S<0. 025%,其余為Fe ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. 3mmX0. 7mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為190:1。鋼絲和碳纖維的重量比為27:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 35%。取鋼絲按照清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為 12cm,并按常規(guī)化學熱處理的方法在其表面共滲硼氮得到硼氮共滲鋼絲團，所述滲硼氮層 的厚度為70 μ m。制備方法同實施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 4 g/cm3，模數(shù)為2. 8。對比實施例四阻尼耐磨鋼基體的化學成分的重量百分含量c為0. 3%，Si為0. 3%, Mn為3%， P<0. 08%, S <0. 25%,其余為 Fe。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0.03%，Si為0. 1%，Mn為0.洲，P<0. 02%, SCO. 025%,其余為！^ ；鋼絲的截面為圓形，半徑為0. 1mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為50:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 10%。取鋼絲按照清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為 IOcm,且鋼絲團表面不滲硼氮。制備方法同實施例一。對比實施例五阻尼耐磨鋼基體的化學成分的重量百分含量c為0. 8%，Si為2\ Mn為6%，P<0. 08%, S <0. 25%,其余為 Fe。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 1%，Si為0. 4%, Mn為0. 9%,其余為 Fe ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. 5mmX2mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為600:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 60%。取鋼絲按照清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為 IOcm,并按常規(guī)化學熱處理的方法在其表面共滲硼氮得到共滲硼氮的鋼絲團，所述滲硼氮 層的厚度為200 μ m。制備方法同實施例一。產(chǎn)品性能分析由下表可見，本發(fā)明中的阻尼耐磨鋼基體和鋼絲化學成分中的C、Si、Mn增加，利于材 料硬度的提高。但是過多，會降低基體材料的韌性。P和S增加，也會降低基體材料的韌性。鋼絲截面為矩形便于粘結(jié)碳纖維。截面尺寸過小，不利于粘結(jié)碳纖維；尺寸過大， 割裂基體傾向增加。碳纖維長徑比太小和太大都不利于與矩形截面鋼絲的粘結(jié)。鋼絲和碳纖維體積百分比的增加，利于材料韌性的提高。但是過大，降低了材料的 硬度，因此也降低了材料的耐磨性，如產(chǎn)品5，而且鋼水不易包圍鋼絲和碳纖維；反之，鋼絲 和碳纖維占材料的體積百分比太小，則不利于鋼絲和碳纖維作用的發(fā)揮。滲硼氮層的厚度增加，利于鋼水的合金化；但是厚度過大，氮和硼不易在短時間熔 入鋼水，造成元素的浪費，同時熱處理成本增加；反之，鋼絲的表面的滲硼氮層的厚度太小， 鋼絲硬度降低，并且不利于形成彌散的化合物。表1所得各產(chǎn)品性能對比
權(quán)利要求
1.一種阻尼耐磨鋼材料，其特征在于該材料以阻尼耐磨鋼為基體，在基體中分布著 鋼絲團和碳纖維；所述鋼絲團直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面尺寸為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材 料的體積百分比為20 40% ；阻尼耐磨鋼基體的化學成分的重量百分含量為C為0. 45 0. 60%, Si為0. 5% 1%， Mn 為 3 5%, Ρ<0· 08%, S <0. 25%,其余為 Fe ；鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 06 0. 09%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為0.3 0. 8%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 500:1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼耐磨鋼材料，其特征在于所述基體中還分布有Μη4Β、 Fe4N, Si3N4、Fe3B 和 B4C 顆粒。
3.—種阻尼耐磨鋼材料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟硼氮共滲鋼絲團和碳纖維的準備取截面為矩形、且尺寸為0. 1 0. 4mmΧ0. 5 1.5mm、成分為 C 為 0. 06 0. 09%, Si 為 0. 2% 0. 3%, Mn 為 0. 3 0. 8%, P<0. 02%, S <0. 025%,其余為！^的鋼絲，以及直徑為7微米，長徑比為100 500:1的T300碳纖維， 所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者的體積占材料的體積百分比 為20 40% ；將鋼絲按清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為 10 15cm，并按常規(guī)化學熱處理的方法在其表面共滲硼氮得到硼氮共滲鋼絲團，所述滲硼 氮層的厚度為50 IOOym;
4.硼氮共滲鋼絲團粘附碳纖維的制備將硼氮共滲鋼絲團浸入水玻璃溶液，所述水玻璃 溶液的濃度為1. 3 1. 5 g/cm3，模數(shù)為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再 將碳纖維揉撒到帶有水玻璃溶液的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固 化后，將若干粘有碳纖維的鋼絲團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材 料的體積百分比決定，且保證鋼絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完 畢后等待鋼水澆注；
5.阻尼耐磨鋼基體的準備按重量百分含量C為0. 45 0. 60%，Si為0. 5% 1%，Mn為 3 5%，P<0. 08%, S <0.2596，其余為！^進行配料；將阻尼耐磨鋼基體在感應電爐中熔化 得到阻尼耐磨鋼水，熔化溫度為1600 1630°C ；將上述阻尼耐磨鋼水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態(tài)鋼水進入鋼絲團間 隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以阻尼耐磨鋼為基體的其中分布有碳纖維和 鋼絲團的材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種阻尼耐磨鋼材料及其制備方法，該材料以阻尼耐磨鋼為基體，在基體中分布著鋼絲團和碳纖維，所用鋼絲團直徑為10-15cm，其中鋼絲截面為矩形，截面尺寸為0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25-30∶1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20～40%。本發(fā)明得到的阻尼耐磨鋼材料具有較高的韌性和耐磨性，且工藝簡單，生產(chǎn)成本低。
文檔編號C22C38/04GK102051536SQ20111000704
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者李慶芳, 王玲, 趙浩峰 申請人:南京信息工程大學