[发明专利]轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料及制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于粉末冶金技术，特别涉及一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料及制备方法与应用。

背景技术

颗粒增强钢铁基复合材料是二十世纪五十年开始发展起来的一类金属基复合材料，主要是为了发展一类具有高的比强度和比模量、耐高温、耐磨损的复合材料。

目前颗粒增强钢铁基复合材料的研究中，基体材料主要有不锈钢、工具钢和高速钢，增强颗粒主要有金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物和金属间化合物等。E.Pagounis and V.K.Lindroos利用热等静压技术制备了各种颗粒增强的不锈钢、工具钢复合材料，结果发现增强颗粒的加入能极大提高复合材料的耐磨损性能，但增强颗粒的加入恶化了复合材料的强度，各种不同成分复合材料的强度均低于700MPa(Materials Science and Engineering A,1998,226:221-234)。钢铁材料密度较高，低密度增强颗粒的加入可明显降低复合材料的密度而实现复合材料的轻质化，达到材料轻量化的应用目标。因此，在提高材料的耐磨损性能和降低材料密度的同时最大限度的保证复合材料的强度，是一个值得进一步研究的问题。关于使用30CrNi4Mo合金钢作为基体的粉末冶金复合材料未见报道。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法得到的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料。

本发明的再一目的在于提供所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，包括如下步骤：首先获得30CrNi4Mo合金钢粉末，然后向30CrNi4Mo合金钢粉末中加入TiC颗粒，TiC颗粒的终浓度为20vol％～30vol％，同时保证TiC颗粒均匀弥散分布在30CrNi4Mo合金钢粉末之中，使TiC颗粒与30CrNi4Mo基体牢固结合，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料；

所述的30CrNi4Mo合金钢粉末的粒度为10～100μm；更优选为40μm；

所述的30CrNi4Mo合金钢粉末的组分和按质量百分比计的组成如下：C0.33％、Cr1.32％、Ni3.3％、Mo0.31％、Mn0.32％、Si0.25％，其余为铁和不可避免的微量杂质；

所述的TiC颗粒优选为平均粒度为3μm、纯度≥99.5％的TiC颗粒；

所述轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的制备方法，优选包含如下步骤：

(1)制粉：使用水雾化法制备30CrNi4Mo合金钢粉末；

(2)配料：将30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒按以下体积百分比用量进行配比：30CrNi4Mo70％～80％，TiC20％～30％；

(3)混合：将步骤(2)配比好的30CrNi4Mo合金钢粉末与TiC颗粒混合均匀；

(4)球磨：将步骤(3)混合均匀的混合粉末进行球磨，球磨在惰性气体环境下进行；

(5)热压烧结：将球磨后的复合粉末装入热压模具中，置于真空热压炉内进行热压烧结，得到轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料；

步骤(3)中所述的混合均匀优选为通过在V型混料机上干混至少2小时实现；

步骤(4)中所述的球磨优选为使用行星球磨机上实现；

所述的球磨的条件优选如下：球磨介质为直径8～10mm的不锈钢球，球料按质量比为8:1，球磨机转速226转/分；

所述的球磨的时间优选为至少20小时；

步骤(4)中所述的惰性气体优选为氩气；

步骤(5)中所述的热压烧结的参数如下：烧结压力为50MPa，烧结温度为1100℃，从烧结开始到200℃的升温速率为5℃/min，200℃～1100℃的升温速率为10℃/min，保温时间为1h；

一种轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料，通过上述制备方法得到；

所述的轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料具有如下特点：相对密度达97.6％以上，绝对密度低至6.83g/cm³，抗拉强度超过1000MPa，耐磨损性能也有极大地提高，特别是在高速高载下，轻质高强度耐磨粉末冶金钢基复合材料的耐磨损性能较铸锻致密的30CrNi4Mo合金钢提高了10倍以上；

所述的高速指的是滑动速度为0.98m/s；