一種氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷增強金屬基復合材料技術領域，具體涉及一種氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料，同時還涉及一種氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]耐磨材料是冶金、礦山、火電、機械、水泥、煤炭等行業(yè)的大宗消耗品，據不完全統(tǒng)計，我國每年消耗的耐磨材料高達500多萬噸，造成了大量的能源消耗和資源浪費。隨著社會的進步和工業(yè)的發(fā)展，單一的耐磨材料已很難滿足實際需求;近十年來，人們重點開發(fā)復合材料，大大提高了材料的利用率。
[0003]氧化物陶瓷具有硬度高、耐磨性好、熔點高、化學穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點，受到越來越多的重視。但是，氧化物陶瓷性脆，難以單獨作為耐磨材料使用，因此以氧化物陶瓷作為增強體的金屬基復合材料成為了近年來的研究熱點。氧化物陶瓷的化學性質穩(wěn)定，一般來講，其與金屬的潤濕性較差，相比較而言，氧化物陶瓷與有色金屬的潤濕性比與鋼鐵類黑色金屬要好一些。所以，氧化物陶瓷增強有色金屬基復合材料要發(fā)展得快一些，技術也更成熟一些。但是，鋼鐵基的材料用量非常大，所以氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料才是研究的重點。
[0004]由于氧化物陶瓷與鋼鐵的潤濕性很差，一般的常規(guī)方法(如鑄造、粉末冶金法等)很難獲得合格的復合產品。廣大科學工作者開發(fā)了很多新的方法來制備氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料，取得了很大進展，但都還沒能較完美地解決這個問題，因此，這個問題的研究始終是近年來的研究熱點。
[0005]現有技術中，關于氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料的制備方法方面的論文和專利很多，大致可以分為三大類:
[0006](I)異型法。將氧化物陶瓷設計成特定的形狀(如蜂窩狀、梯型、錐形、梅花形等等)，增大與鋼鐵基體的結合面積或加強機械結合。如將陶瓷制備成蜂窩狀結構，既增大了與鋼鐵的接觸面積，又利用了此結構增強了機械結合，保證了復合體在使用中不會脫落。但是，蜂窩狀的陶瓷大大降低了陶瓷的機械性能;并且陶瓷與金屬間結合不好，屬機械結合，陶瓷得不到金屬的充分保護，使用中陶瓷易產生破裂而失效。
[0007](2)鍍膜法。在陶瓷表面采用化學鍍或其它方法鍍一層金屬過渡膜，其主要作用是提高陶瓷的表面活性，改善陶瓷與金屬基體之間的潤濕性。常用的鍍膜材料為Ni和Ti等。如現有技術中，CN104073673A公開了一種陶瓷增強金屬基復合材料的制備方法，將鋯剛玉粉體、水和添加劑混合制成陶瓷漿料，并加入有機泡沫珠粒與陶瓷漿料混合均勻，澆注模具型腔干燥后制得泡沫陶瓷前驅體;對泡沫陶瓷前驅體進行燒結去除有機泡沫珠粒，并對其表面鍍鎳;然后放入鑄型，澆注液態(tài)金屬，冷卻、凝固，再進行熱處理即得陶瓷增強金屬基復合材料。這種鍍膜與陶瓷體之間一般為機械結合，在高溫鋼(鐵)水的作用下易被熔化而沖散，所以這種方法對潤濕性的改善有限，不能從根本上解決問題。
[0008](3)金屬基預制體法。以陶瓷為骨架，加入鎳或鈦等金屬作為粘接劑，制成預制體，再進行復合，一定程度上改善了潤濕性，與鍍膜法一樣，無法從根本上解決問題。
[0009]上述三種方法所得陶瓷增強金屬基復合材料中，陶瓷與金屬的結合均為機械結合，結合力不強，削弱了陶瓷增強金屬基復合材料制品的機械性能。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料，使陶瓷與鋼鐵之間實現冶金結合，提高復合材料的機械性能。
[0011]本發(fā)明的第二個目的是提供一種氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料的制備方法。
[0012]為了實現以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:
[0013]—種氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料，是由包括下列步驟的方法制成的:
[0014]I)取鉬粉或鉬合金粉，與水、粘結劑混合制成料漿；
[0015]2)將步驟I)所得料漿涂覆在氧化物陶瓷或陶瓷素坯表面，烘干并在1650?2000 °C條件下燒結，在陶瓷表面形成鉬金屬層，得燒結體；
[0016]3)將步驟2)所得燒結體置于鑄型中，固定后，澆注溫度為1400?1600°C的鋼水或鐵水，鑄造成型，即得。
[0017]步驟I)所述鉬合金粉中，Mo的質量百分含量不低于90%，余量為熔點低于鉬的金屬元素。所述鉬合金粉是在鉬粉中加入質量百分含量不高于10%的熔點低于鉬的金屬元素。加入熔點低于鉬的金屬元素的主要目的是降低鉬合金粉的燒結溫度，實現液相燒結或活化燒結。
[0018]所述熔點低于鉬的金屬元素為T1、N1、Fe、Cr中的任意一種或組合。
[0019]步驟I)中，所述粘結劑為聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯乙二醇、甲基纖維素、羧甲基纖維素、乙基纖維素、羧丙基纖維素中的任意一種或組合。
[0020]步驟I)中，所述粘結劑的加入質量為鉬粉或鉬合金粉質量的3%?6%。
[0021]步驟I)所得料漿是由以下方法制備的:將鉬粉或鉬合金粉進行高能球磨制得亞微米或納米級的粉體，加入水、粘結劑制成料漿;或者，將鉬粉或鉬合金與水、粘結劑混合后直接進行濕磨制成料楽ο其中所述高能球磨或濕磨的時間為1?30h。
[0022]步驟2)中，所述氧化物陶瓷是指氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷或ZTA陶瓷(氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷)；所述陶瓷素坯是指氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷或ZTA陶瓷未燒結的陶瓷素坯。氧化物陶瓷或陶瓷素坯可為任何形狀(如球狀、圓柱狀、塊狀、條狀、顆粒狀等)，尺寸大小也沒有限制;可根據最終復合材料制品的形狀和要求進行選擇。為了增加涂覆性，所述氧化物陶瓷在涂覆之前，可先用強酸進行表面粗化處理;所述強酸為硫酸、硝酸或鹽酸。
[0023]步驟2)中，所述烘干的溫度為60?80°C。
[0024]步驟2)中，所述燒結是在真空條件、保護性氣氛或還原性氣氛下進行燒結。所述保護性氣氛為氮氣或氬氣;所述還原性氣氛為H2。
[0025]所述燒結的時間為I?5h。燒結完成之后，陶瓷表面形成鉬金屬層，陶瓷與鉬金屬層之間為冶金結合。步驟2)中，形成鉬金屬層的厚度為5?ΙΟΟμπι。
[0026]步驟3)中，所述鋼水可為任何牌號的鋼(如碳鋼、各種合金鋼等)；所述鐵水可為灰鐵、球鐵、白口鑄鐵及各種合金鑄鐵。所述澆注的溫度為1400?1600 0C。
[0027]步驟3)中，所述鑄造成型為普通砂型鑄造、消失模鑄造或V法鑄造。
[0028]本發(fā)明的氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料，是將鉬粉或鉬合金粉制成料漿，涂覆在氧化物陶瓷或陶瓷素坯的表面，烘干并燒結后，在陶瓷表面形成一層鉬金屬層，陶瓷與鉬金屬層兩者之間為冶金結合；將燒結體置于鑄型中，澆注高溫鋼水或鐵水，鑄造成型。在1650?2000 °C的燒結溫度下，鉬與陶瓷之間能產生良好的冶金結合;在鑄造成型時，由于鉬與鋼鐵的潤濕性較好，也能產生良好的冶金結合;并且，由于鉬的熔點很高(2610°C)，鑄造時，1400?1600°C的高溫鋼水或鐵水不能將其熔化，故鉬金屬層能完整地保留下來，最終在鋼鐵與陶瓷之間形成一個鉬金屬過渡層。該鉬金屬過渡層一方面與陶瓷、鋼鐵之間都是良好的冶金結合，另一方面，鉬金屬具有良好的塑性和韌性，鉬金屬過渡層在陶瓷與鋼鐵之間形成一個緩沖層，提高了復合材料的抗沖擊能力。
[0029]—種氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料的制備方法，包括下列步驟:
[0030]I)取鉬粉或鉬合金粉，與水、粘結劑混合制成料漿；
[0031]2)將步驟I)所得料漿涂覆在氧化物陶瓷或陶瓷素坯表面，烘干并在1650?2000 °C條件下燒結，得燒結體；
[0032]3)將步驟2)所得燒結體置于鑄型中，固定后，澆注溫度為1400?1600°C的鋼水或鐵水，鑄造成型，即得。
[0033]本發(fā)明的氧化物陶瓷增強鋼鐵基復合材料的制備方法中，在1650?2000°C的燒結溫度下，陶瓷與鉬金屬之間能產生良好的冶金結合，從根本上解決了其潤濕性的問題;在1650?2000°C的燒結溫度下，氧化物陶瓷處于活性狀態(tài)，該溫度也是鉬的燒結溫度，所以鉬與陶瓷在此燒結溫度能產生良好的冶金結合。先將鉬粉或鉬合金粉制成的料漿涂覆在氧化物陶瓷或陶瓷素坯的表面，經高溫燒結后，在陶瓷表面形成一層鉬金屬層，鉬金屬層與陶瓷是良好的冶金結合;再將帶有鉬金屬層的陶瓷體(燒結體)作為增強體，澆注高溫鋼水或鐵水，鑄造成型，鉬與鋼(鐵)之間潤濕性較好，也能形成良好的冶金結合;該制備方法最終形成陶