[发明专利]一种碳化硅/碳化钨复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐磨材料领域，具体涉及一种碳化硅/碳化钨复合材料及其制备方法。

背景技术

现代工业的发展对材料的耐磨性要求越来越高，冶金、矿山、建材、电力、化工、农业、煤炭以及石油钻探行业所需的各种设备常受到各种介质的磨损，每年消耗大量的金属和能量。而磨损也成为机械零件失效的主要原因之一。由磨损所造成的经济损失也相当惊人，发达国家近20年对机电设备的摩擦磨损调查结果显示，每年由材料失效所造成的损失都在上千亿美元。据不完全统计，我国每年因磨损造成的经济损失都在1000亿人民币以上，仅磨料磨损每年就消耗300多万吨金属耐磨材料，而且还以15%的速度在增长。因此高寿命耐磨材料的研制和应用关系到国民经济的长期稳定发展。

近年来，许多专家学者对颗粒增强钢铁基复合材料的制备工艺、组织结构及性能尤其是耐磨性能做了大量研究。在铁基复合材料的研究方面，其重点主要集中在通过加入硬陶瓷增强颗粒制备耐磨铸件上。而对于钢基复合材料，主要集中在通过不同的碳化物增强工具钢和高速钢的研究方面，其中碳化物包括TiC、WC、VC、NbC、Cr₃C₂等，另外Al₂O₃和TiB₂增强不锈钢基复合材料的研究也有所报道。众多的研究表明，材料性能可以通过颗粒增强方式得到很大的提高。Tjong等发现在奥氏体不锈钢基体中加入TiB₂颗粒可以显著提高材料的滑动磨损性能，并且随着磨损法向载荷和磨损速度的增加，其体积磨损量呈下降趋势，材料的耐磨性能提高，可能是由于随着载荷的增加，表面变形层得到硬化，显微硬度增加所致；Zhou Rong等利用负压铸渗法制备了碳化钨颗粒增强铁基表面复合材料，并对制得的复合材料的冲蚀磨损性能及磨损机理进行了研究，结果表明，随着WC颗粒体积分数的增加，材料的耐磨性先增加后降低，当体积分数为36%时，材料具有较好的耐磨性，其磨损机理为碳化钨颗粒对基体的“屏蔽效应”和基体对碳化钨颗粒的“支撑效应”；最近，K. Van Acker等利用激光熔覆法制备了WC/Ni基涂层，并对材料的二体磨料磨损性能进行了研究，得出了碳化物颗粒的体积分数和分布对材料磨损性能的影响规律。此外，颗粒增强其它金属基复合材料的也得到了迅速的发展，主要集中在以Al₂O₃、MgO、SiC、WC、SiN₄、AlN等氧化物、碳化物、氮化物为增强相用于Al、Cu、Ti、Ni和Mg等金属基体的研究，并取得了重大的突破，以有色合金为基体的复合材料的应用越趋于广泛，美国的Trident导弹上采用49%SiC_p增强6061Al复合材料制造万向接头部件，美国武器研究中心采用17%SiC_p/2124复合材料制造了导弹的尾翼。陶瓷增强镁基复合材料已经在管道上得到了应用，同时非常有潜力在航空领域和汽车领域得到应用。同样颗粒增强钛基复合材料也具备较好的应用前景，已被用于燃烧装置的推杆。

增强体和基体结合的界面结合情况是影响复合材料性能的主要因素，良好的润湿性、相容性是增强颗粒选择的主要依据之一。WC和很多金属包括铁、铜、铝、镍、钴等具有良好的润湿性能，因此被用作金属材料的颗粒增强相，用于改善金属材料的耐磨性能。但是钨属于稀有金属，钨矿是不可再生的紧缺战略矿产资源，单纯使用WC增强金属基体，成本较高，且不利于可持续发展，因此新型金属材料复合添加剂的开发具有显著的社会效益。

而SiC具有一系列优异的性能，被广泛应用于磨料磨具、切割刃料、高级耐火材料、加热元件、功能陶瓷和半导体等领域；同时Si作为地壳中含量最多的元素，储量丰富，成本低廉。曹玉等用SiC晶须增强WC，得到的复合陶瓷的弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度分别提高50%、30%～40%和10%～15%，但是存在的缺点是SiC晶须不易分散，和WC组分混合的均匀性不易控制。

中国专利文献CN 101823882A中公开了一种碳化硅/碳化钨复合材料及制备方法，但其生产成本较高，工艺较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能改善碳化硅和金属基体的相容性的碳化硅/碳化钨复合材料，并提供了一种工艺较简单、成本较低的碳化硅/碳化钨复合材料制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：