[发明专利]一种高合金基体金属陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

一种高合金基体金属陶瓷复合材料及其制备方法，属于耐磨材料领域。该高合金基体金属陶瓷复合材料，按体积比，高合金基体材料：金属陶瓷增强颗粒＝(1～10)：1；高合金基体材料C：1～8％；主合金元素为：Ni：0～60％、Mo：0～60％、Cr：0～40％、Mn：0～30％、V：0～20％、Ti：0～20％、W：0～15％、Nb：0～15％；微量添加元素为B、Si、Zr、Cu、Co、Al和稀土中的一种或几种；余量为Fe及不可避免的杂质。其制法采用程序控温液相烧结法制备，可直接用于耐磨材料，也可经后续热处理后，用于耐磨材料，复合材料中增强相与高合金基体的冶金结合界面达到40μm～1mm，整体热处理后末产生裂纹，符合耐磨材料领域的使用条件。

技术领域

本发明属于耐磨材料技术领域，具体涉及一种高合金基体金属陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术和现代工业的飞速发展，耐磨材料在工业领域的应用越来越广泛。因为金属材料磨损每年所造成的经济损失相当惊人，所以耐磨材料一直是金属学领域研究的重点方向之一。

高锰钢是应用较早的耐磨材料，其在铸态组织中的碳化物沿晶界析出，经水韧理后，碳化物溶于奥氏体中成为单相奥氏体组织，具有良好的硬度和冲击韧性。但是，高锰钢在使用时需要发生一定的塑性变形后才能够产生明显的相变强化和加工硬化，而有些耐磨部件在使用过程中冲击变形小，其耐磨性不足以发挥。

高铬铸铁一般泛指Cr含量在11～30％之间，C含量在2.0～3.6％之间的铬系白口铸铁，其具有优良的耐磨性能。由于Cr元素的大量加入，使得高铬铸铁中的M₃C型碳化物变成M₇C₃型碳化物，这种高硬度合金碳化物进一步提高了高铬铸铁的耐磨性，但这种耐磨材料在高耐磨工况条件下仍不能满足使用要求。

近年来，在高锰、高铬耐磨材料研究的基础上，继而开发了多种高合金耐磨材料，主要添加的合金元素为W、Cr、V、Mn、Mo和Co等碳化物形成元素，合金元素总量≥10％，如耐磨高速钢等。相关研究显示，在同样的磨损条件下，高合金耐磨材料的耐磨性是高锰钢的11倍，是高铬铸铁的3～5倍。

陶瓷颗粒增强铁基复合材料是近几年来国内外耐磨材料研究的热点之一，增强相的加入使得复合材料兼具了基体材料的高韧性与陶瓷颗粒的高耐磨性。国内外学者使用外加的ZTA陶瓷颗粒制备具有多孔形状的预制体后，利用无压浸渗法制得了以高铬铸铁为基体的ZTA增强复合材料，通过三体磨损后ZTA(55～60％ZrO₂)-高铬铸铁的耐磨性是高铬铸铁基体的5.9倍；有学者采用负压铸渗工艺，以SiC陶瓷为增强体，Q235钢为基体成功制备了SiC增强钢基表面复合材料，此复合材料在45°冲蚀角下的冲蚀磨损性能为Q235钢的4.03倍。

对于陶瓷颗粒增强铁基复合材料的制备方法现如今多集中于铸渗法、粉末冶金法、熔体浸渗法、原位复合法。以上制备方法中存在制备过程中相关的工艺参数不易控制、增强相与金属基体不足以形成有效冶金结合、冶金结合区宽度有限、存在气孔、夹渣等诸多缺陷。如前所述，高合金耐磨材料具有更为优异的耐磨性能，如将陶瓷颗粒均匀的分布于其中，制备成高合金基体金属陶瓷复合材料，其耐磨性将较现有金属陶瓷耐磨材料大幅度提升。此种复合材料在工业生产中将有广泛的应用前景，但目前采用上述方法均无法制备高合金基体金属陶瓷复合材料。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高合金基体金属陶瓷复合材料及其制备方法，其基体材料采用高合金基体，增强相为金属陶瓷增强颗粒，其制备方法采用程序控温液相烧结法。通过精确控制升温降温速度、加热温度、保温时间，同时对复合层的厚度也可以按工作需要进行调控。所制备的复合材料致密度较高，其增强相体积分数控制在10～50％之间，液相烧结粉末与增强颗粒混合液相烧结方式，有效地降低了制备过程中的生产成本且工艺简单。通过对组织性能、界面冶金结合宽度和力学性能的分析更好的完成对制备工艺参数的优化。