一种碳化钛基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种碳化钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

破碎是制备粉料的有效方法。在冶金、水泥、电力及建筑垃圾固废处理领域，块状物体的细化是必不可少的一道重要工序。

磨损是物料破碎过程中，导致破碎设备失效的重要方式。物料与破碎装备接触处存在大量的磨粒磨损和冲蚀磨损，这些磨损会使设备零件损坏甚至失效，导致生产过程中工件需要更换和频繁维修，降低设备的工作效率，并消耗大量的能源和材料。

目前在上述行业领域的破碎设备中，广泛使用高锰钢、高铬钢或其它耐磨合金钢作为耐磨材料，但这些材料存在硬度和韧性无法较好结合的缺点。当硬度高时，韧性差，冲蚀磨损失效严重；而当韧性好时，硬度又变低，引起零件磨粒磨损进程加快，不利于物料高效率的破碎。

在冶金、矿山、水泥、建筑垃圾固废处理的物料破碎领域，由于零件处于高硬度的物料和高旋转或高冲击的恶劣工况，制备破碎装备零件的合金材料在强冲击工况下崩裂、破损、剥落，降低了零件的使用寿命。因此，需要改善合金材料黏结相的强韧性以及黏结相与基材之间的结合强度，使破碎装备零件的工作面及其基体组织具备能同时抵抗磨粒磨损和冲蚀磨损的特性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种碳化钛基复合材料及其制备方法。

本发明的第一方面提供了一种碳化钛基复合材料，由硬质相粉末和黏结相粉末制备得到；所述硬质相粉末在所述碳化钛基复合材料中的质量百分比为45～55％，所述硬质相粉末为碳化钛粉末；所述黏结相粉末包括以下重量份计的制备原料：

锰：8～12％，

镍：2～4％，

钼：3～5％，

铬：2～5％，

铁：20～40％，

钒：0.3-0.8％，

稀土元素粉末：0.01～1.0％。

根据本发明的一种实施方式，所述稀土元素粉末为氧化镧粉末和氧化铼粉末按照质量比为(3～9)：1的混合。

黏结相粉末中；

锰是稳定黏结相奥氏体的主要元素。

镍可以扩大r相区。

钼能改善碳化钛与金属的润湿性。

铬可形成连续固溶体。

钒能细化晶粒，同时可形成碳化物硬质点，提升耐磨性。

稀土元素能细化晶粒、净化晶界，避免黏结相发生晶界断裂。加入稀土元素后，晶界细而干净，断裂转为晶内断裂。同时，使黏结相的形变层韧性得到改善，提高碳化钛硬质颗粒与黏结相的结合能力，降低黏结相在冲击载荷下发生断裂的可能性，提高材料的抗冲击、抗冲蚀和抗磨损能力。

根据本发明的一种实施方式，所述碳化钛基复合材料中，钒的质量百分比含量≤1％。

本发明的第二方面提供了一种制备上述的碳化钛基复合材料的方法，包括以下步骤：

S1：将所述硬质相粉末和黏结相粉末按配比混合后，加入球磨介质进行高能球磨，得到混合料粉浆；

S2：将步骤S1得到的所述混合料粉浆进行第一次干燥筛分后，加入橡胶溶液混匀；

S3：将步骤S2得到的物料进行第二次干燥筛分后，得到混合料；

S4：将步骤S3得到的混合料压制成型后烧结，随炉冷却即得所述的碳化钛基复合材料。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，所述球磨介质为无水乙醇。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，所述高能球磨的时间为12～36h。

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，所述橡胶溶液为汽油橡胶溶液。

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，所述橡胶溶液中，橡胶含量为8～15％。

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，所述汽油橡胶溶液的添加量为10～20％。

根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，所述烧结的温度为1400℃～1450℃。

根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，所述烧结的温度为1420℃。

根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，所述烧结的时间为50～70min。

根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，所述烧结的时间为60min。

本发明的碳化钛基复合材料，至少具有以下技术效果：

本发明的碳化钛基复合材料，通过相图分析和计算、计算机模拟以及成分优化设计，设计了含有多种合金成分的新型黏结相成分，通过各种成分的相互配合和影响，改善了黏结相与硬质相颗粒的湿润性不良的问题。

本发明的碳化钛基复合材料，通过制备工艺参数的优化，使材料在保证碳化钛硬质颗粒高硬度同时，使黏结相在各个硬质相之间起到黏结、粘附、包裹的支撑作用，为材料整体提供强韧性和高耐磨性。

本发明的碳化钛基复合材料，具有良好的冲击韧性，在一定冲击工况条件下，仍可保持其高耐磨特征，可广泛应用于水泥、矿山行业的破碎机配件，如破碎机锤头、鄂板、球磨机衬板、采掘机的斗齿和铲齿、高炉加料溜槽以及磨辊等，实现了物料粉碎行业的高效率和低能耗特性。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本例制备了一种碳化钛基复合材料，由硬质相粉末和黏结相粉末制备得到；硬质相粉末在碳化钛基复合材料中的质量百分比为45％，硬质相粉末为碳化钛粉末；黏结相粉末包括以下重量份计的制备原料：

锰：10％，镍：3％，钼：3.8％，铬：3％，铁：34.1％，稀土元素粉末：0.5％。钒的质量百分比含量0.6％。

其中，稀土元素粉末为氧化镧粉末和氧化铼粉末按照质量比为4：1的混合。

具体制备方法包括以下步骤：

S1：将硬质相粉末和黏结相粉末按配比混合后，加入球磨介质进行高能球磨，得到混合料粉浆；

S2：将步骤S1得到的混合料粉浆进行第一次干燥筛分后，加入橡胶溶液混匀；

S3：将步骤S2得到的物料进行第二次干燥筛分后，得到混合料；

S4：将步骤S3得到的混合料压制成型后烧结，随炉冷却即得的碳化钛基复合材料。

步骤S1中，球磨介质为无水乙醇。高能球磨的时间为30h，球料比为4:1。

步骤S2中，橡胶溶液为汽油橡胶溶液。橡胶含量为18％。汽油橡胶溶液的添加量为18％。

步骤S4中，烧结的温度为1420℃，烧结的时间为60min。

实施例2

本例制备了一种碳化钛基复合材料，由硬质相粉末和黏结相粉末制备得到；硬质相粉末在碳化钛基复合材料中的质量百分比为50％，硬质相粉末为碳化钛粉末；黏结相粉末包括以下重量份计的制备原料：

锰：10.5％，镍：3％，钼：3％，铬：3.5％，铁：28.95％，稀土元素粉末：0.55％。钒的质量百分比含量0.5％。

其中，稀土元素粉末为氧化镧粉末和氧化铼粉末按照质量比为4：1的混合。

具体制备方法包括以下步骤：

S1：将硬质相粉末和黏结相粉末按配比混合后，加入球磨介质进行高能球磨，得到混合料粉浆；

S2：将步骤S1得到的混合料粉浆进行第一次干燥筛分后，加入橡胶溶液混匀；

S3：将步骤S2得到的物料进行第二次干燥筛分后，得到混合料；

S4：将步骤S3得到的混合料压制成型后烧结，随炉冷却即得的碳化钛基复合材料。

步骤S1中，球磨介质为无水乙醇。高能球磨的时间为24h，球料比为3.3:1。

步骤S2中，橡胶溶液为汽油橡胶溶液。橡胶含量为15％。汽油橡胶溶液的添加量为18％。

步骤S4中，烧结的温度为1410℃，烧结的时间为60min。

实施例3

本例制备了一种碳化钛基复合材料，由硬质相粉末和黏结相粉末制备得到；硬质相粉末在碳化钛基复合材料中的质量百分比为55％，硬质相粉末为碳化钛粉末；黏结相粉末包括以下重量份计的制备原料：

锰粉：10％，镍粉：3.5％，钼粉：3.5％，铬粉：2.5％份，铁粉：24.4％，稀土元素粉末：0.6％。钒的质量百分比含量0.5％。

其中，稀土元素粉末为氧化镧粉末和氧化铼粉末按照质量比为3：1的混合。

具体制备方法包括以下步骤：

S1：将硬质相粉末和黏结相粉末按配比混合后，加入球磨介质进行高能球磨，得到混合料粉浆；

S2：将步骤S1得到的混合料粉浆进行第一次干燥筛分后，加入橡胶溶液混匀；

S3：将步骤S2得到的物料进行第二次干燥筛分后，得到混合料；

S4：将步骤S3得到的混合料压制成型后烧结，随炉冷却即得的碳化钛基复合材料。

步骤S1中，球磨介质为无水乙醇。高能球磨的时间为18h，球料比为2.8:1。

步骤S2中，橡胶溶液为汽油橡胶溶液。橡胶含量为13％。汽油橡胶溶液的添加量为18％。

步骤S4中，烧结的温度为1420℃，烧结的时间为60min。

检测例

本例测试了实施例1～3制备的碳化钛基复合材料的硬度和耐磨性。耐磨性测试方法为：将材料制成标准试样尺寸9×40mm，试验采用ML-100型磨料磨损试验机，试样经预磨处理后用精度为0.0001g的TG-328型光电分析天平称重，然后装机试验，磨损结束后再进行称重计算磨损失重。结果如表1所示。

表1硬度和磨损试验测试结果

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。