[发明专利]多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高性能耐磨材料的制备技术，具体地说是一种多尺度陶瓷/金属复 合耐磨材料及其制备方法。

背景技术

磨损是工件失效的主要形式之一，造成了能源和原材料的大量消耗。据不完 全统计，平均每年消耗了世界各工业国家3％左右的钢铁，20-30％的能源。我国 平均每年消耗耐磨钢大约为300-400万吨，价值在600亿元以上。耐磨钢作为降 低磨损的有效手段，广泛用于能源、建材、冶金、矿山、交通、装备制造、环保 及国防等领域。例如，火电、水泥、矿山、冶金等行业大量使用的粉磨机械的磨 辊、磨盘和球磨机的磨球、衬板，挖掘机的斗齿、铲斗，各种破碎机的破碎壁、 齿板、风扇磨机的打击板等都需要使用高性能耐磨钢。

随着我国工业的快速发展，对基础产业，如电力、建材、矿山等行业的产能 需求不断扩大，每年需要磨14-15亿吨原煤、40-50亿吨水泥原料、6-8亿吨矿石。 粉磨机械作为各类矿石制粉的主要设备，有球磨、立磨、和辊压机等，每年消耗 耐磨钢100万吨以上、消耗的电力占企业耗能总量的60％以上。

耐磨钢是耐磨损性能强的钢铁材料的总称，是当今耐磨材料中用量最大的一 种。耐磨钢的发展经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁、高铬铸铁以及中 高合金白口铸铁、耐磨合金钢等几个阶段。目前，高锰钢、高铬铸铁、中低合金 钢等是粉碎装备中用量最多的几类耐磨钢。

广泛应用于粉碎装备的高锰钢、高铬铸铁、中低合金钢等耐磨钢都存在高耐 磨性与高强韧性准以高度统一的问题。尽管经过几十年的努力，人们已通过合金 化方法并结合冶炼、铸造、变形加工、热处理等手段，使上述耐磨钢的综合性能 得到显著提高，但高耐磨性与高强韧性之间的矛盾仍未从根本上得到解决。同时， 利用合金化方法提高耐磨钢综合性能，都需使用大量稀缺金属元素，鉴于耐磨钢 磨损导致资源不可回收再利用的特点，稀缺金属资源的大量消耗，已成为制约耐 磨钢发展的一个新问题。

因此，开发出高耐磨性与高强韧性统一、不用或少用稀缺合金元素的资源节 约型高性能耐磨钢，已成为耐磨钢材料的发展趋势。除继续探索新的合金化技术 外，利用复合材料技术可实现多种材料性能最佳组合的特点，通过研发耐磨钢的 复合材料技术适应耐磨钢技术发展趋势的努力，正日益受到学术界和产业界的重 视。

目前，国际上耐磨钢的复合材料技术主要涉及均质钢基耐磨复合材料、层状 及镶嵌式复合结构耐磨钢、我国原创的基于材料与结构多级复合的多尺度陶瓷/ 金属复合耐磨材料等三种技术途径。

现已发展的均质钢基耐磨复合材料，是以钢为粘结金属，以难熔金属碳化物 作硬质相的结合材料，在一些严酷的磨损工况中得到了工业应用。其组织特点是 微细硬质晶粒均匀分散于钢基体中，兼有硬质化合物的硬度、耐磨性，以及钢的 强度和韧性，处于普通硬质合金和钢的中间地位。但粘结剂最常使用的添加元素 有镍、铬等稀缺金属，且需要粉末冶金方法、浸渍法、热压法、热等静压法、喷 射成形法、混合搅拌铸造法及等离子熔融粉末法等加工方法制备，致使现有钢铁 基耐磨复合材料不具备明显的性价比优势，其推广应用受到较大限制。

层状及镶嵌式复合结构耐磨钢，以两种或多种耐磨性和强韧性不同的材料并 通过熔合、压合、烧结、喷涂、镶嵌等方法获得，结构复合是其基本特点。与均 质钢基耐磨复合材料相比，这类耐磨复合钢能获得更好的使用性能，但也存在许 多亟待解决的问题。对于层状复合结构耐磨钢，内部高强韧结构钢与外层高耐磨 钢在膨胀系数和塑性方面的显著差别，往往导致外层高耐磨钢在制备和使用过程 中出现开裂而加剧磨损，使其高耐磨性优势未得到很好发挥。对于镶嵌式复合结 构耐磨钢，镶嵌在高韧性钢中的柱状、球状陶瓷或硬质合金具有很强的耐磨性， 能显著提高材料的耐磨性能，但在制备、使用和成本方面仍面临一系列限制其推 广应用的问题。当采用硬质合金作为耐磨基元时，由于硬质合金自身价格高，加 之硬质合金与金属基体的可靠结合往往需要利用钎焊手段，大规模推广应用将因 过高的成本压力而受到限制。当采用陶瓷耐磨基元时，如何在复合过程中保证陶 瓷与钢的可靠结合而又不产生过大的内应力、如何在使用过程中防止陶瓷的破碎 脱落，至今也未得到很好解决。

发明内容：