一种复合耐磨元件的制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨材料领域，具体涉及一种复合耐磨元件的制备方法。

背景技术

作业过程中，挖掘机的铲齿，采煤机的滚筒端壁等工业设备磨损会造成材料和能源的极大浪费和消耗，为了延长工业设备的使用寿命，设备材料的局部表面往往要求具有较高的耐磨性能。耐磨材料是一类较为特殊的材料，它多用于存在磨损的场合，如矿山机械、工程机械、粉末设备中与土砂、矿石、岩石、水泥等物料相互作用的机械零件；粮油加工、耕作收割等农业机械；水利和火力发电设备中许多机械零部件；人体的牙齿、鞋底、笔尖以及多种生活品等。可以说，耐磨材料在冶金、建材、矿山、港口、石油、电力、煤炭、化工以及军事等各个工业领域中普遍存在，和每个人的生活息息相关。

耐磨材料的工作环境非常复杂，有些耐磨材料需要在重载、冲击、腐蚀、粉尘、蒸汽、渣滓等恶劣工况条件下工作，常常用于矿山、机械、水电、煤炭、港口、冶金等场合，这些环境会造成耐磨材料的巨大损耗和能源浪费，所以这部分耐磨材料占具着耐磨材料的主体。据统计，世界工业化发达的国家能源大约30％是以不同形式消耗在材料的磨损上，德国每年由于材料磨损造成的损失约有400 亿马克，英国约300亿英镑。据美国评议局(OTA)报告数据显示，美国的飞机由于磨损造成的损失为134亿美元，船舶为64亿美元，汽车为400亿美元。据有关部门统计，我国每年因磨损造成的损失达1000亿元人民币以上，每年消耗 300多万吨贵重金属耐磨材料，而且还以每年15％的速度增长。如果设备工件由整体的耐磨合金制造，不仅成本高，浪费能源，在整体力学性能等方面往往也不能满足要求。为了提高材料表面的耐磨性，人们研制了多种金属表面强化方法，其中包括表面化学热处理、表面热喷涂﹑表面堆焊、等离子处理、激光处理等，但这些方法的制造成本比较高，有的硬化层存在深度过薄、与基体结合不牢等缺陷，应用在铸件上效果并不明显。

铸渗也叫涂覆铸造或浸渗，是近年来发展起来的一种制备金属基复合材料的新技术，是铸造技术和冶金强化技术的统一结合，是利用铸造凝固余热将待渗元素熔化、分解、扩散。它是根据材料的使用要求将配置好的粉末加上一定量的粘结剂调成糊状或膏状，涂在铸型型腔内壁指定位置，或将粉末直接压制成膏块固定在型腔内，然后浇注，在高温金属液的作用下，粉末涂层或压坯通过与金属液的传热、渗透、扩散、烧结等综合作用，实现与母材金属的熔合，最终制得所需的金属基复合材料。对于铸渗技术，要想获得优良的表面性能(耐磨，耐蚀，耐高温等)其渗层质量是关键，根据能量传递和冶金原理，渗层由三部分组成：一是外层，即浇注的液体金属浸润到渗剂中距渗层/金属界面最远处，此层的未熔渗剂合金颗粒占大部分；二是内层，即涂层/金属界面处，此处热作用最强烈，渗剂发生分解反应从而产生大量活性原子，这些活性原子向金属基体内部扩散，由于在液体内部扩散，因而扩散阻力小，扩散行程长，此层为扩散层；三是介于外层与内层之间的部分，铸渗内层与外层渗剂形成较大的浓度差，由于毛细管作用，母液渗入到合金颗粒的空隙中，包围合金颗粒，使表面溶解、熔化，表面成液相的渗剂合金与母液发生互渗，然后冷却结晶，该层未熔合金颗粒比外层要少，该层为过渡层。各部分的相组成取决于组成该合金系的相图，外层和过渡层的化学成分主要取决于渗剂合金的化学成分；内层，为渗剂元素原子饱和基体金属，所以取决于母材金属的化学成分，具体情况可根据母材/渗剂二元相图来分析。渗层质量主要由渗层厚度、硬度、致密度等决定，一般情况下内层质量最好，过渡层次之，外层质量较差。

目前的铸渗技术在制备金属基复合材料时需要在金属液温度相对较高的情况下进行，母液渗入到合金颗粒的空隙中时温度过高易使硬质合金颗粒烧损严重，且在应力的作用下，过渡区域容易出现破裂，裂纹现象明显，工艺成本高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明本发明对传统的铸渗技术进行改进，提供了一种复合耐磨元件的制备方法，该方法中反应温度低，且材料之间的过渡区展现出基本无空隙和裂缝的良好结合，得到的复合耐磨金属元件的耐磨性强。

为了实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：

提供一种复合耐磨元件的制备方法，包括如下内容：用铝热剂熔融钢体得到钢水，将钢水加入已预热至200～500℃、底部放置了硬质合金的模具中，复合完全后取出；

所述铝热剂包括Al、铁氧化物，所述钢体包括Fe、合金，Al：铁氧化物：Fe：合金的质量比为4～5:10～13:5～6:1；所述钢体中包括如下重量百分比元素： C≦0.5％、Si≦2％、Mn≦2％、Cr≦2％、Ni≦2％，Mo≦0.5％，余量为Fe；

进一步地，所述钢体中包括如下重量百分比元素：0.30～0.40％C，2.8～3.5％Si，3.3～4.0％Mn，1.8～2.5％Cr，2.8～3.5％Ni，0.50～0.55％Mo，余量为Fe，优选包括如下重量百分比元素：0.35％C，3.1％Si，3.6％Mn，2.1％Cr，3.2％Ni，0.53％Mo，剩余Fe。

纯铝热剂指的是铝粉和三氧化二铁粉末，发明人发现，纯铝热剂虽能在短时间内产生3000℃以上的高温，但是高温易使硬质合金颗粒烧损严重，且纯铝热剂还原出的铁水量少，也会导致铝热剂温度高，使硬质合金颗粒溶解，影响复合，因此，如何有效降低铝热剂的放热温度，更好地将钢体和硬质合金颗粒复合，是本领域亟待改进的技术问题。

经过长期的研究，发明人意外地发现，在铝热剂中配入铁与合金粉，能够增加钢液量并降低铝热反应的温度，解决硬质合金颗粒烧损严重的问题，提升产品性能。

在本发明的具体实施方式中，所述钢体为粉末状。

在本发明的具体实施方式中，所述预热的温度为250～350℃，优选为320℃。

在本发明的具体实施方式中，所述铁氧化物选自FeO、Fe

在本发明的具体实施方式中，所述硬质合金的硬度为1200～1250HV

进一步地，所述硬质合金为Co的质量分数为2％～40％的WC-Co合金颗粒；

进一步地，所述硬质合金为Co的质量分数为4％～30％的WC-Co合金颗粒；

更进一步地，所述WC-Co合金颗粒中，Co的质量分数为5～10％，优选8％。

在本发明的具体实施方式中，所述硬质合金中还包括添加剂；

进一步地，所述添加剂包括Ti、Cr、Ni、V、Ta、Nb的碳化物中的一种或几种，即包括钛(Ti)碳化物、铬(Cr)碳化物、镍(Ni)碳化物、钒(V)碳化物、钽(Ta)碳化物、铌(Nb)碳化物中的一种或几种；

更进一步地，所述添加剂的质量分数为0～5％。

在本发明的具体实施方式中，所述硬质合金为颗粒；

进一步地，所述颗粒粒度为0.1～10mm，硬质合金颗粒中WC的晶粒大小为2～10μm，优选4μm。

在本发明的具体实施方式中，所述铝热剂的用量为使其还原出的钢水具有如下组成0.28～0.35％C，1～1.6％Si，1.45～1.50％Mn，0.70～1.0％Cr，1.1～1.5％Ni， 0.15～0.30％Mo，余量为Fe；

优选为0.31％C，1.3％Si，1.49％Mn，0.88％Cr，1.32％Ni，0.22％Mo，余量为Fe。

在本发明的具体实施方式中，所述硬质合金的用量为使制备得到的耐磨元件的硬质合金表层厚度为5～7mm。

本发明还提供了一种复合耐磨元件，通过上述制备方法制备得到；

进一步地，所述复合耐磨元件的硬质合金层与钢体之间存在过渡区，所述过渡区为厚度50～200μm的η相区；

进一步地，硬质合金层贴合η相区的一侧存在宽度为0.5～2mm的含铁过渡区；在邻近于所述η相区的钢体贴合η相区的一侧中，存在宽度为10～100μm的具有富集碳内含物的区。

含铁过渡区是指靠近η相区的硬质合金一侧的一定区域范围内含有Fe(Fe 向硬质合金颗粒内部发生扩散导致)。

富集碳内含物的区是指硬质合金颗粒与钢体界面处存在过饱和析出固溶体 (Fe,W)

在本发明中，除另有说明的以外，所有百分含量均指重量百分含量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)本发明制备得到的复合耐磨元件耐磨性能高，在材料之间的过渡区展现出基本无空隙和裂缝的良好结合，且即使出现少许裂缝也不会影响产品性能。

(2)本发明方法工艺简单，具有反应温度低，节约能源的优点。

附图说明

图1为复合耐磨金属元件图；

图2为颗粒与钢体微观界面图。

其中，A—硬质合金颗粒；B—硬质合金颗粒与钢体界面；C—钢体。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本发明中使用的所有技术是与本领域技术人员通常理解的意义相同。

实施例1

(1)配制铝热剂，其包括446.49gAl粉，1317gFe

(2)通过常规粉末冶金技术制备硬质合金WC-Co，破碎成颗粒，其粒度为 5～9mm，其组成为8wt％Co，其余为WC，WC的晶粒大小为4μm，硬质合金颗粒碳含量为5.2wt％，硬度为1230HV

(3)反应完全后1h取出(反应时温度约为2000～2500℃)，在空气中冷却到室温，制备得到的复合耐磨块见图1所示，硬质合金颗粒与钢体较好结合为一体；颗粒与钢体微观界面见图2所示，硬质合金颗粒与钢体之间的过渡区展现出基本无空隙和裂缝的良好结合，过渡区中，存在厚度为50～200μm的薄的η相区 (B)，在邻近于所述η相区的硬质合金中，存在宽度为0.5～2mm的含铁过渡区，在邻近于所述η相区的钢中，存在宽度为10～100μm的具有富集碳内含物的区，硬质合金颗粒与钢体界面(B)区出现(Fe,W)-C固溶体，硬而脆。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。