[发明专利]一种蜂窝状结构耐磨复合材料及其制备方法

说明书

所属技术领域：

本发明属于耐磨复合材料制造技术领域，涉及一种蜂窝状结构耐磨复合材料及其制备方法。

背景技术：

磨损不仅引起设备零部件失效，导致工件更换和维修频繁、设备工作效率低下，而且消耗了大量的金属材料和能源。大多数磨料磨损场合耐磨部件既承受着严重的磨损也承受着一定程度的交变应力或冲击载荷的作用。因此，耐磨件要求既要有较高硬度，又要具有一定的韧性；单一金属材料制备的耐磨件很难满足这一要求。表层(局部)强化复合材料(耐磨涂层、陶瓷颗粒增强复合材料、双金属复合材料)虽然在一定程度上满足了“强韧”匹配的要求，提高了耐磨件的寿命，但仍然存在一些缺点和不足，如复合耐磨层较薄、韧性较差、与基体结合不牢固等等。在实际使用时复合层会因受到冲击或交变载荷而提前开裂和剥落，从而导致部件使用寿命急剧下降。

蜂窝状结构表层(局部)耐磨复合材料是指，在复合材料的工作表层中增强相(单一材料或复合材料)和韧性基体之间均匀交替分布，在宏观上构成蜂窝状结构。该种结构一方面有利于复合材料的制备，增加复合层的厚度，另一方面减小了由于基体和增强相间的物理、化学性能的不匹配而产生的不良影响，增强了复合层与基体之间的结合强度，从而可以大大提高耐磨件的使用寿命。

由于蜂窝状结构复合层在保证零件耐磨性的同时，大大提高了其韧性，实现了材料的“强韧”配合，目前已受到国内外耐磨领域的企业和研究人员的高度重视，如：比利时马克托公司生产的复合磨辊(US 2007184235(A1))，西安交通大学铸造所生产的耐磨复合材料(CN 101898238 A，CN 101269411 B，CN101898239 A，CN 101899586 A)，广州有色金属研究院生产的耐磨零件(CN101899585A)。这些复合材料表层的蜂窝状结构都是脆、硬的增强相连续而韧性好的基体相不连续，裂纹容易产生和扩展。此外，这些复合材料都是先制备蜂窝状陶瓷预制体(增强相)，然后通过负压铸渗工艺与铁基合金复合而成。该方法存在预制体制备工艺复杂，工艺稳定性差，质量难以保证的缺点。因此，对复合材料的蜂窝状结构进行优化设计，开发工艺简单、成本低廉、工艺稳定性好的新的制备技术势在必行。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述缺点，对复合材料表层蜂窝状结构进行优化设计，提供一种蜂窝状结构耐磨复合材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采取的蜂窝状结构耐磨复合材料的制备方法即为熔烧钎焊法，该方法首先是对复合材料的表层采用B型蜂窝状结构设计，在基本零件工作面的表层加工规则排列的孔，将200目左右的粒状钎料或自熔合金粉末和陶瓷颗粒混合均匀后填入基体零件工作面预先加工好的孔里，再将上述处理好的零件放入加热炉中进行熔烧钎焊从而制得蜂窝状结构耐磨复合材料。

附图说明：

图1A型蜂窝状结构复合材料示意图。

图2B型蜂窝状结构复合材料示意图。

图中(1)为复合材料基体，(2)为增强相(陶瓷颗粒+钎料)。

本发明的具体实施方式是：

1.对复合材料表层蜂窝状结构进行优化设计。目前蜂窝状结构都采用A型结构(见附图1)，A型结构中脆、硬的增强相连续，而韧性好的基体不连续，显然此结构裂纹容易产生和扩展。本发明蜂窝状结构采用B型结构(见附图2)，B型结构中脆、硬的增强相不连续，而韧性好的基体相连续，该结构裂纹不易产生，而且韧性好的连续基体可以有效阻止裂纹的扩展。

2.首先制备基体零件，然后在零件工作面(表层)加工规则排列的孔。孔的大小、深浅、形状、排列方式以及所占的体积分数可根据耐磨零件的使用工况来定。

3.根据耐磨件的使用工况购买或自制200目左右的粒状钎料(或自熔合金粉末)。钎料的熔点应低于基体材料的熔点，最好与基体的热处理温度相当或略高于该温度。

4.把陶瓷颗粒和钎料混合均匀后填入基体零件工作面预先加工好的孔里，并压实。要求陶瓷颗粒与钎料有良好的润湿性，若两者润湿性不好则需要预先对陶瓷颗粒表面进行改性处理。

5.随后把上述处理好的零件放入加热炉中进行熔烧钎焊。熔烧温度高于钎料熔点约50℃。加热炉可以使用真空炉、氢气炉、气氛保护炉、盐浴炉或普通加热炉等。若用普通加热炉，加热前需要对填满混合料的孔进行封口，防止氧化，封口材料可用石墨、水玻璃或氧化铝粉。

6.复合材料的熔烧钎焊工艺可以同基体材料的热处理工艺同时进行，比如熔烧钎焊的加热温度，保温时间，冷却速度等可以根据基体材料的热处理工艺制定。