表面复合陶瓷铁基材料及其制备方法

技术领域

本发明公开了陶瓷铁基材料及其制备方法，特别涉及表面复合陶瓷铁基材料及其制备方法，属于表面处理技术领域。

背景技术

陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高耐磨、耐氧化等优点，已广泛应用于耐磨蚀、耐腐蚀和抗高温等领域。特别是Al

钢铁材料具有原料来源广泛，生产工艺简便，强度高，韧性好等特点，在耐磨耐热领域获得广泛应用。但是，普通钢铁材料硬度较低，耐磨性较差，为了提高钢铁材料的耐磨性能，中国发明专利CN 109385500A公开了一种电铲用多合金耐磨铸钢斗齿，其特征在于，所述铸钢按照质量百分比由以下组分组成：C1.0-2.0wt％，Si0.8-1.2wt％，Ti0.3-0.4wt％，Cr12.0-20.0wt％，Mn0.5-2.0wt％，Ni1.0-2.0wt％，Mo0.2-1.0wt％，Co0.1-0.3wt％，V0.5-1.0wt％，W0.1-0.3wt％，Y0.2-0.3wt％，Sn0.1-0.2wt％，P0.06-0.10wt％，S0.02-0.06wt％，余量为Fe和杂质。中国发明专利CN 107502815A还公开了一种高强度耐磨损多元合金材料及制备方法；包括金属与非金属合成，按照质量分数百分比为：碳(C)：2.8﹪-3.6﹪；铬(Cr)：30﹪-33﹪；镍(Ni)：8﹪-10﹪；钼(Mo)：3.0﹪-5.0﹪；锰(Mn)：1.8﹪-2.5﹪；硅(Si)：0.1﹪-3.0﹪；钨(W)：3.0﹪-4.5﹪；钒(V)：0.3﹪-0.5﹪；铜(Cu)：2.5﹪-3.5﹪；铌(Nb)：0.5﹪-1.0﹪；铼(Re)：0.2﹪；余量为铁(Fe)、钛(Ti)及其他元素。中国发明专利CN 103938106A还公开了一种铬镍铜钒铌氮高温耐热耐磨铸钢，其化学成分(重量％)为：C0.3～2.0％，Si1.36～2.50％，Mn0.83～2.50％，Cr20.0～46.0％，Ni7.0～50.0％，Cu0.05～1.50％，V0.05～5.20％，Nb0.04～2.50％，N0.05～0.50％，RE0.05～0.50％，P≤0.06％，S≤0.04％，Fe余量，用该耐热耐磨铸钢制造的发电锅炉燃烧器喷口抗热裂性能好，具有高的红硬性和高温耐磨性，抗煤粉冲刷，使用寿命长。但是，上述钢铁材料中需要加入大量价格昂贵的合金元素，导致钢铁材料生产成本急剧升高。

为了降低耐磨材料制造成本，并提高材料耐磨性，采用韧性好的铁与耐磨性优异的陶瓷复合生成陶瓷强化铁基耐磨材料，已引起材料科技工作者的广泛关注。中国发明专利CN111283196A公开了一种铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件及其激光增材制造方法，所述方法包括以下步骤：(1)提供混合粉末，所述混合粉末的原料包括镍粉及碳化硅陶瓷粉末，还包括铁粉或者铁合金粉末；(2)以所述混合粉末为原料进行同轴激光增材制造铁基陶瓷复合材料薄壁回转体构件，且同轴激光增材制造过程中，周期性改变单层增材起始点的位置，直至增材制造完成。该发明不仅改善原材料体系的力学性能，扩大了原材料体系的使用范围和进一步提高原材料体系在激光增材过程中的抗变形能力，而且有效地解决了由于陶瓷颗粒的加入对激光增材制造过程的工艺性消极影响。中国发明专利CN110318051A还公开了一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层及制备工艺，以质量百分比计，所述的涂层按质量百分比计的组份如下：Cr：15～19％、Mn：1～2％、Mo：5～8％、W：1～2％、B：11～16％、C：2～5％、Si：1～3％、陶瓷粉末：8～10％、稀土氧化物粉末：0.5～2％、Fe：余量。以该涂层为熔覆材料，采用激光熔覆可获得一种激光熔覆稀土改性铁基陶瓷复合长寿命高耐磨耐腐蚀海工装备活塞杆涂层，该涂层具有优异的耐磨、耐腐蚀性能，并且涂层表面硬度高，与基体材料结合力强，能够承载较大载荷，有效解决了现有涂层易剥落、腐蚀、磨损环境下服役等问题。该发明的生产成本低，制备方法工艺可靠，性能稳定，适合在淡水、海洋装备设施上大规模应用。中国发明专利CN106187179A还公开了一种用于制备钢铁基复合材料增强体的抗磨用ZrO

中国发明专利CN107653430A公开了一种用于制备金属基复合涂层用的复合粉末材料，其特征在于，粉末中包含铁基非晶合金粉末与陶瓷两种成分；铁基非晶合金粉末原材料质量组成：硼铁：21.34％～26.57％，铌铁：10.8％～13.6％，硅铁：1％～6％，纯铬：14％～17％以及纯铁39％～47％；陶瓷粉末原材料为YSZ；硼铁中B的质量百分含量：16％-20％；铌铁中Nb的质量百分含量：63％-67％；硅铁中Si的质量百分含量：73％-77％。中国发明专利CN104191163A还公开了一种铁基金属陶瓷复合导辊，其特征在于；所述复合导辊从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、环状钢块，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％—57wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为15wt％—25wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％—72wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％。中国发明专利CN106869928A还公开了一种铁基金属陶瓷复合截齿，其包括有钢座，以及设置在钢座之上的硬质合金头；所述硬质合金头之上敷设有铁基金属陶瓷层，其由碳化钛陶瓷颗粒以及铁合金粘结相构成，碳化钛陶瓷颗粒的重量百分比为35至85％；所述铁基金属陶瓷层延伸至钢座之上，铁基金属陶瓷层与钢座之间通过烧结连接；采用上述技术方案的铁基金属陶瓷复合截齿，其可通过截齿中硬质合金头之上的铁基金属陶瓷层以对其形成良好的保护作用，铁基金属陶瓷层之中采用较高重量百分比的碳化钛陶瓷颗粒可提供良好的硬度与强度，从而在硬质合金头的工作过程中避免其磨损。中国发明专利CN104118166A还公开了一种钢与铁基金属陶瓷复合体的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述复合体从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％-50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％-57wt％，Mo粉为1wt％-2wt％，Ni粉为3wt％-4wt％，Cr粉为7wt％-8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为20wt％-23wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％-72wt％，Mo粉为1wt％-2wt％，Ni粉为3wt％-4wt％，Cr粉为7wt％-8wt％，各组分之和为100wt％；所述金属层为钢，所述Fe粉、Mo粉、Ni粉、Cr粉粒度均为190-210目，所述高金属层设置为一层或者多层；具体工艺步骤如下，1)将配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2)将步骤1)得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空；3)接着以8-12℃/min的速率升温至290℃-310℃，保温1小时；4)然后接着以8-12℃/min的速率升温至590℃-610℃，再保温1小时；5)继续以8-12℃/min的速率升温，每隔300℃，保温8-12min，直至烧结温度1330℃-1360℃；6)烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。中国发明专利CN105689642A还公开了一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)选用粒径为2-4mm的电熔锆刚玉颗粒，颗粒的质量百分比21-28wt％Al、29-33wt％Zr，其余为O，颗粒的硬度为HRC70-75；2)将上述电熔锆刚玉颗粒与2-4wt％的粘结剂一起混合，边混合边加入铝粉和稀土粉末的混合粉末1-3wt％；混合均匀平铺在模具中，放入烘箱中150-300℃下保温20-30min，脱模后制得弧形蜂窝状锆刚玉陶瓷颗粒预制体冷却待用；3)将上述所得的锆刚玉陶瓷颗粒预制体放入立磨磨辊砂型的型腔中，沿型腔的圆弧面并排摆放，通过芯撑进行固定；4)砂型均布设置若干内浇道和若干冒口，合箱后用热风机对型腔进行预热达到150-300℃，再进行浇注高铬铸铁的铁水，铁水温度为1350-1500℃，浇注后在砂型内冷却，待型腔温度低于200℃后开箱取件；5)将上述所得到的铁基陶瓷复合材料立磨磨辊进行热处理，其工艺为：先空淬处理，温度800-1200℃，时间7-9h；再空冷处理，温度为400-500℃，时间7-9h。但是，采用上述方法制备复合陶瓷铁基材料工艺复杂，且制备的复合陶瓷铁基材料厚度太大，如果要制备较薄的复合陶瓷铁基材料，需要采用激光熔覆设备，生产成本高。此外，陶瓷颗粒都是外加到复合陶瓷铁基材料中，陶瓷颗粒与铁基金属基体结合强度低，使用过程中陶瓷颗粒易发生剥落。

发明内容

本发明目的是为了满足轧钢机导卫板等要求表面具有优异的耐磨、耐热性能，内部具有优异的强韧性，在高强韧性的合金钢表面，制备厚度2-8mm的表面复合陶瓷铁基材料，具体制备工艺步骤如下：

①先将钛铁、钒铁、金属镍、碳素铬铁和金属锡破碎至120-160μm，分别获得钛铁粉、钒铁粉、金属镍粉、碳素铬铁粉和金属锡粉，然后将质量分数10-12％的钛铁粉、8.0-9.5％的钒铁粉、5-6％的金属镍粉、23-25％的碳素铬铁粉、1.0-1.2％金属锡粉、8-10％的B

②将电炉熔炼好的钢水，浇入步骤①中的铸型型腔里，钢水化学组成及其质量分数是：0.31-0.39％C,2.77-2.93％Si,2.54-2.69％Mn,0.42-0.49％Mo,1.33-1.52％Al,0.041-0.058％Y,0.038-0.063％Ca,<0.027％S,<0.035％P,余量Fe；钢水浇注温度1683-1691℃；多元涂覆材料在高温钢水的热作用下，会发生熔化分解，原位合成出TiB

如上所述钛铁的化学组成及质量分数为：39.17-40.84％Ti,≤9.0％Al,≤3.0％Si,≤0.03％S,≤0.03％P,≤0.10％C,≤0.40％Cu,≤2.5％Mn,余量Fe。

如上所述的钒铁的化学成分质量分数为：49.10-50.75％V,≤2.0％Si,≤0.05％P,≤0.05％S,余量Fe。

如上所述的碳素铬铁的化学成分质量分数为：64.52-65.49％Cr，7.76-7.94％C，2.09-2.45％Si，余量为Fe。

本发明为了满足轧钢机导卫板等要求表面具有优异的耐磨、耐热性能，内部具有优异的强韧性，在高强韧性的合金钢表面，制备出厚度2-8mm的表面复合陶瓷铁基材料，先将钛铁、钒铁、金属镍、碳素铬铁和金属锡破碎至120-160μm，分别获得钛铁粉、钒铁粉、金属镍粉、碳素铬铁粉和金属锡粉，然后将质量分数10-12％的钛铁粉、8.0-9.5％的钒铁粉、5-6％的金属镍粉、23-25％的碳素铬铁粉、1.0-1.2％金属锡粉、8-10％的B

本发明的多元涂覆材料中，含有质量分数10-12％的钛铁粉、8.0-9.5％的钒铁粉、23-25％的碳素铬铁粉和8-10％的B

本发明的多元涂覆材料中，还含有5-6％的金属镍粉，镍是非碳化物和硼化物生成元素，主要固溶于金属基体，提高基体室温强度和高温强度，确保镶嵌在基体中的TiB

本发明的多元涂覆材料中，还含有1.0-1.2％金属锡粉、1.3-1.5％的干锯末和2.5-2.8％的酚醛树脂，其中加入2.5-2.8％的酚醛树脂，可以确保多元涂覆材料具有较好的结合强度，与铸型表面结合牢靠，且在高温钢水作用下不会出现溃散。加入1.0-1.2％金属锡粉，主要是利用锡熔点低，锡熔点约232℃，在高温钢水作用下，锡会快速熔化，锡随高温钢水全部进入铸型型腔，使多元涂覆材料中出现较多微孔，促进高温钢水进入铸型。还加入1.3-1.5％的干锯末，主要是利用干锯末易燃，价格低廉，在高温钢水作用下，快速燃烧，导致多元涂覆材料中出现较多细孔，加速高温钢水进入铸型。此外，进入铸型型腔的锡元素，可以提高钢的强度，锡的加入还会抑制钢氧化前期的增重，提高钢的抗氧化性能。

本发明将多元涂覆材料涂覆在铸型表面，涂覆厚度2.0-8.0mm，涂覆位置对应于铸件的工作部位，涂覆位置位于金属熔液流入铸型的位置，确保多元涂覆材料在高温钢水作用下，除WC和B

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1、本发明在铸件表面获得复合陶瓷铁基材料工艺简便，效率高；

2、本发明复合陶瓷铁基材料与铸钢件是牢固的冶金结合，剪切强度大于350MPa，确保复合陶瓷铁基材料使用过程中不会剥落和开裂；

3、本发明复合陶瓷铁基材料硬度高，大于67HRC，具有优异的耐磨性，在实验室高温球盘磨损条件下，本发明复合陶瓷铁基材料比高铬抗磨铸铁耐磨性提高8倍以上。

附图说明

图1表面复合陶瓷铁基材料制备示意图；1-浇口杯，2-内浇道，3-多元涂覆材料，4-铸型型腔，5-冒口，6-铸型

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

表面复合陶瓷铁基材料及其制备方法，满足工件要求表面具有优异的耐磨、耐热性能，内部具有优异的强韧性，在高强韧性的合金钢表面，制备厚度5mm的表面复合陶瓷铁基材料，具体制备工艺步骤如下：

①先将钛铁(钛铁的化学组成及质量分数为：39.17％Ti,3.04％Al,1.59％Si,0.011％S,0.026％P,0.08％C,0.21％Cu,1.05％Mn,余量Fe)、钒铁(钒铁的化学成分质量分数为：50.75％V,1.07％Si,0.035％P,0.042％S,余量Fe)、金属镍、碳素铬铁(碳素铬铁的化学成分质量分数为：64.52％Cr，7.94％C，2.09％Si，余量为Fe)和金属锡破碎至120-160μm，分别获得钛铁粉、钒铁粉、金属镍粉、碳素铬铁粉和金属锡粉，然后将质量分数10％的钛铁粉、9.5％的钒铁粉、5％的金属镍粉、25％的碳素铬铁粉、1.0％金属锡粉、10％的B

②将电炉熔炼好的钢水，浇入步骤①中的铸型型腔(4)里，钢水化学组成及其质量分数是：0.31％C,2.93％Si,2.54％Mn,0.49％Mo,1.33％Al,0.058％Y,0.038％Ca,0.021％S,0.030％P,余量Fe；钢水浇注温度1683℃；多元涂覆材料(3)在高温钢水的热作用下，会发生熔化分解，原位合成出TiB

实施例2：

表面复合陶瓷铁基材料及其制备方法，满足工件要求表面具有优异的耐磨、耐热性能，内部具有优异的强韧性，在高强韧性的合金钢表面，制备厚度2mm的表面复合陶瓷铁基材料，具体制备工艺步骤如下：

①先将钛铁(钛铁的化学组成及质量分数为：40.84％Ti,5.66％Al,2.71％Si,0.027％S,0.021％P,0.05％C,0.17％Cu,2.07％Mn,余量Fe)、钒铁(钒铁的化学成分质量分数为：49.10％V,1.25％Si,0.044％P,0.035％S,余量Fe)、金属镍、碳素铬铁(碳素铬铁的化学成分质量分数为：65.49％Cr，7.76％C，2.45％Si，余量为Fe)和金属锡破碎至120-160μm，分别获得钛铁粉、钒铁粉、金属镍粉、碳素铬铁粉和金属锡粉，然后将质量分数12％的钛铁粉、8.0％的钒铁粉、6％的金属镍粉、23％的碳素铬铁粉、1.2％金属锡粉、8％的B

②将电炉熔炼好的钢水，浇入步骤①中的铸型型腔(4)里，钢水化学组成及其质量分数是：0.39％C,2.77％Si,2.69％Mn,0.42％Mo,1.52％Al,0.041％Y,0.063％Ca,0.022％S,0.029％P,余量Fe；钢水浇注温度1691℃；多元涂覆材料(3)在高温钢水的热作用下，会发生熔化分解，原位合成出TiB

实施例3：

表面复合陶瓷铁基材料及其制备方法，满足工件要求表面具有优异的耐磨、耐热性能，内部具有优异的强韧性，在高强韧性的合金钢表面，制备厚度8mm的表面复合陶瓷铁基材料，具体制备工艺步骤如下：

①先将钛铁(钛铁的化学组成及质量分数为：39.91％Ti,3.28％Al,1.53％Si,0.017％S,0.020％P,0.05％C,0.29％Cu,2.18％Mn,余量Fe)、钒铁(钒铁的化学成分质量分数为：50.25％V,0.86％Si,0.036％P,0.027％S,余量Fe)、金属镍、碳素铬铁(碳素铬铁的化学成分质量分数为：64.80％Cr，7.83％C，2.24％Si，余量为Fe)和金属锡破碎至120-160μm，分别获得钛铁粉、钒铁粉、金属镍粉、碳素铬铁粉和金属锡粉，然后将质量分数11％的钛铁粉、9％的钒铁粉、5.5％的金属镍粉、24％的碳素铬铁粉、1.1％金属锡粉、9％的B

②将电炉熔炼好的钢水，浇入步骤①中的铸型型腔(4)里，钢水化学组成及其质量分数是：0.36％C,2.79％Si,2.60％Mn,0.47％Mo,1.39％Al,0.048％Y,0.055％Ca,0.014％S,0.028％P,余量Fe；钢水浇注温度1684℃；多元涂覆材料(3)在高温钢水的热作用下，会发生熔化分解，原位合成出TiB

本发明在铸件表面获得复合陶瓷铁基材料工艺简便，效率高；本发明复合陶瓷铁基材料与铸钢件是牢固的冶金结合，剪切强度大于350MPa，确保复合陶瓷铁基材料使用过程中不会剥落和开裂；本发明复合陶瓷铁基材料硬度高，大于67HRC，具有优异的耐磨性，在实验室高温球盘磨损条件下，本发明复合陶瓷铁基材料比高铬抗磨铸铁耐磨性提高8倍以上。采用发明方法制备的表面复合陶瓷铁基材料轧钢机导卫板，应用于轧制速度16m/s的棒材轧机上，导卫板使用过程中，表面复合陶瓷铁基材料层无开裂、剥落现象发生，具有优异的耐磨性，导卫板使用寿命比传统高铬铸钢导卫板提高5倍以上。推广应用本发明技术，可以提高轧机作业率，减轻工人劳动强度，改善轧材表面质量，具有良好的经济和社会效益。