碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合耐磨板材及其製備工藝的製作方法

2023-10-10 04:19:59

專利名稱：碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合耐磨板材及其製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種複合耐磨板材的製備工藝，特別是涉及一種碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合耐磨板材的製備工藝，這種板材主要用在冶金、礦山、電力、石油、建材、煤炭等行業的運行設備的製造中。
背景技術：
在冶金、礦山、電力、石油、建材、煤炭等行業的運行設備的製造中，每年需要大量的耐磨材料，但是往往由於設備結構的特殊性，複雜性。用傳統的工藝方法無法生產出所需的設備，不得不採用板材的形式拼焊。到目前為止，由板材拼焊的結構件仍為製造設備方面主要的手段，因此板材的需求量極大。而目前市場上的複合材料耐磨板材，大多採用堆焊耐磨層的形式製備，要批量的生產，必須有專用的設備，成本較高，因此如何降低成本，同時提高材料的綜合性能，成為材料發展的必然。近二十年來，顆粒增強金屬基複合材料受到人們的關注，不但具有金屬塑性、韌性好的特點，而且同時具有陶瓷顆粒的硬度高、剛度大的優點，從而顯示出單一的金屬基體或陶瓷顆粒所不可比擬的優異性能，所以顆粒增強金屬基複合材料一般是作為耐磨、耐蝕、耐熱材料進行開發和應用的。由於其獨特的性能，被譽為「21世紀的材料」。因為材料的磨損失效大多是從表面萌生裂紋和疲勞的，如能將顆粒增強金屬基複合材料運用到材料的表面，獲得表面耐磨性優、芯部塑韌性好的零部件，延長機械零部件的使用壽命，無論對提高生產效率還是節約資源都是非常有益的。
目前金屬基複合材料的研究多集中在鎂、鋁等輕金屬基上，隨著製備工藝的改進和工業應用以及節約資源的要求。鋼/鐵基複合材料的研究已經廣泛展開，由於碳化鎢顆粒的熔點高、硬度高、彈性模量高、高溫強度好易及較好的熱穩定性特點，並且鋼\鐵基對WC的較好的潤溼性，因此碳化鎢顆粒增強鋼\鐵基複合材料，成為近年來新材料研究開發的熱點。
關於碳化鎢顆粒增強金屬基複合板材的工藝較多，但對於板材的複合均存在一定的缺陷。鑄滲法必須考慮如何將硬質相預留與需增強的部位，以及使用樹脂粘結劑，造成工藝複雜，鑄件缺陷較多；真空燒結法對真空的要求較高，較大的工件無法實現；離心鑄造法只適合製備迴轉體的工件；而物理化學氣相沉積、電沉積法對於很宏觀厚度的耐磨層不適合。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提供一種碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材製備工藝，在製備時不需要粘結劑，所得複合板材不但具有陶瓷顆粒的高硬度、高彈性模量，同時還具有金屬的良好韌性，能大大提高了耐磨板材的抗衝擊磨損性能。
為解決上述技術問題，本發明解決問題的技術方案是這樣的它由碳化鎢硬質相顆粒和鋼/鐵基韌性相複合而成，碳化鎢顆粒的體積組成比為-2.5～+2mm30～40％；-2～+1mm30～40％；-1～+0.3mm25～30％，鋼/鐵基體熔化後滲透到碳化鎢硬質相顆粒間隙，冷卻至室溫，得到複合層厚度為4～5mm的耐磨板材。
本發明要解決的另一個技術問題是，提供一種碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的製備工藝，使用該工藝製備碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材時不需要粘結劑，採用中頻感應快速加熱熔化基體，複合效率高。
為解決上述技術問題，本發明解決問題的技術方案是這樣的該製備工藝包括下述步驟(1)、根據所需板材的尺寸製作砂型模，砂型模要壓實；(2)、將碳化鎢顆粒按體積組成比-2.5～+2mm30～40％；-2～+1mm30～40％；-1～+0.3mm25～30％，混合併球磨6小時，得到均勻的WC粉末混合物；將WC粉末混合物均勻的鋪覆於砂型槽的底部；(3)、根據砂型模的尺寸，截取相應長度和寬度的鋼/鐵基韌性金屬板材，並對韌性金屬板材進行鋼球噴丸處理，除去表面的油汙和氧化層，然後平放於WC粉末混合物的上面；(4)、將放置好的砂型置於帶有保護氣氛的感應加熱箱內，將整個砂型與感應器處於相對水平運動狀態，感應加熱使鋼/鐵基板材熔化，滲入到碳化鎢顆粒之間，冷卻後得到複合耐磨板。
本發明為無外壓滲透，步驟(2)WC粉末混合物鋪覆砂型槽的底部的厚度為2～3mm。步驟(4)所述複合耐磨板耐磨層的厚度為4～5mm。
為了避免氧化，步驟(4)所述保護氣氛為氮氣。
步驟(4)所述感應電源頻率為6500～7000Hz，功率165～180Kw/h。
步驟(4)所述砂型與感應器相對水平運動狀態的運行速度90～100mm/min。
步驟(4)所述砂型與感應器的間隙距離3～4mm。
步驟(3)所述截取相應長度和寬度的鋼/鐵基韌性金屬板材，其厚度比所需複合耐磨板材厚度小1～2mm。
本發明的有益效果是1、本發明充分發揮了碳化鎢顆粒的高硬度，高彈性模量，以及與鋼/鐵基金屬材料的良好韌性和塑性特點，能大大提高耐磨板材的綜合性能。
2、本發明複合板材採用廉價的韌性和塑性良好的普通基材，其成本較低。
3、由於鋼/鐵基熔體是緩慢滲透到碳化鎢硬質相顆粒間隙，鋼/鐵基熔體對碳化鎢顆粒不會造成衝擊，不存在偏析現象，故不使用有機粘結劑。
4、本發明採用中頻感應加熱，能局部快速加熱熔化基體，複合效率高。
5、由於複合耐磨層小於5mm，熔體依靠重力的作用，能夠滲透到碳化鎢粉末的間隙，故不需要外加壓力。
6、本發明由於燒結速度快，氧化程度較低，故不需要大型的真空裝置，在氮氣的保護下即可進行，主要設備是一臺感應加熱設備和一臺工業制氮機，故設備投資較少。
7、本發明只要更換感應器的大小及改變感應器與板材的相對運行速度，即可實現不同大小和厚度的板材製造。


圖1為本發明砂型模主視圖；圖2為本發明鋪覆有WC粉末的砂型模示意圖；圖3為感應燒結時的砂型模示意圖；圖4為本發明製備完成的複合板材示意圖。
具體實施例方式
實施例1
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明以製備尺寸為50×15×1000mm的碳化鎢顆粒增強高錳鋼基複合材料耐磨板材為例。
本實施例的製備工藝步驟如下A製造砂型模，砂型模(1)的外型尺寸為70×30×1100mm，為確保後續步驟的進行，中間槽的尺寸應略大於所需複合板材的尺寸為52×17×1004mm。如圖1所示，刷鑄鋼塗料，烘乾備用。
B將WC粉末按體積比為-2.5～+2mm30％；-2～+1mm40％；-1～+0.3mm30％的組成進行混合球磨6小時，將混合後的粉末均勻的鋪覆於砂型槽的底部，用遊標卡尺控制WC粉末層(2)的厚度在2～3mm之間，如圖2所示。
C截取50×14×1000mm厚的高錳鋼板(3)，噴丸處理後，放置在碳化鎢粉末層的上面；然後將整個砂型模推入帶有導軌(4)的保護箱(5)內，通入氮氣(6)且氮氣處於流動狀態，如圖3所示。
D放置感應器(7)在高錳鋼板之上，為充分利用感應加熱的集膚效應和防止感應器被鋼水的熱輻射造成損壞，感應器與高錳鋼有3～4mm的間隙。開啟感應電源，頻率6500～7000Hz，功率165～180Kw/h，感應加熱使高錳鋼板快速熔化，溫度高於高錳鋼熔點50℃，其流動性較好，依靠重力能夠較好的滲入到碳化鎢顆粒之間，當感應器正下方的高錳鋼熔化後，將砂型模與感應器產生相對水平運動，運行速度90～100mm/min，約10分鐘後，停止加熱，冷卻至室溫，打開砂型，清理打磨即為複合耐磨板。如圖4所示。
實施例2以製備尺寸為70×20×1000mm的碳化鎢顆粒增強45#鋼基複合材料耐磨板材為例。
本實施例的製備工藝步驟如下A製造砂型模，砂型模(1)的外型尺寸為100×40×1100mm，為確保後續步驟的進行，中間槽的尺寸應略大於所需複合板材的尺寸為72×22×1004mm。如圖1所示，刷鑄鋼塗料，烘乾備用。
B將WC粉末按體積比為-2.5～+2mm40％；-2～+1mm30％；-1～+0.3mm30％的組成進行混合球磨6小時，將混合後的粉末均勻的鋪覆於砂型槽的底部，用遊標卡尺控制WC粉末層(2)的厚度在2～3mm之間，如圖2所示。
C截取70×19×1000mm厚的45#鋼板(3)，噴丸處理後，放置在碳化鎢粉末層的上面；然後將整個砂型模推入帶有導軌(4)的保護箱(5)內，通入氮氣(6)且氮氣處於流動狀態，如圖3所示。
D放置感應器(7)在45#鋼板之上，為充分利用感應加熱的集膚效應和防止感應器被高溫鋼水的熱輻射造成損壞，感應器與45#鋼有3～4mm的間隙。開啟感應電源，頻率6500～7000Hz，功率165-170Kw/h，感應加熱使高錳鋼板快速熔化，溫度高於45#鋼熔點50℃，其流動性較好，依靠重力能夠較好的滲入到碳化鎢顆粒之間，當感應器正下方的45#鋼熔化後，將砂型模與感應器產生相對水平運動，運行速度90mm/min，約10分鐘後，停止加熱，冷卻至室溫，打開砂型，清理打磨即為複合耐磨板。如圖4所示。
實施例3以製備尺寸為70×20×1000mm的碳化鎢顆粒增強高鉻鑄鐵基複合材料耐磨板材為例。
本實施例的製備工藝步驟如下A製造砂型模，砂型模(1)的外型尺寸為100×40×1100mm，為確保後續步驟的進行，中間槽的尺寸應略大於所需複合板材的尺寸為72×22×1004mm。如圖1所示，刷鑄鐵塗料，烘乾備用。
B將WC粉末按體積比為-2.5～+2mm35％；-2～+1mm40％；-1～+0.3mm25％的組成進行混合球磨6小時，將混合後的粉末均勻的鋪覆於砂型槽的底部，用遊標卡尺控制WC粉末層(2)的厚度在2～3mm之間，如圖2所示。
C截取70×19×1000mm厚的高鉻鑄鐵板(3)，噴丸處理後，放置在碳化鎢粉末層的上面；然後將整個砂型模推入帶有導軌(4)的保護箱(5)內，通入氮氣(6)且氮氣處於流動狀態，如圖3所示。
D放置感應器(7)在高鉻鑄鐵板之上，為充分利用感應加熱的集膚效應和防止感應器被鋼水的熱輻射造成損壞，感應器與45#鋼有3～4mm的間隙。開啟感應電源，頻率6000Hz，功率175-180Kw/h，感應加熱使高錳鋼板快速熔化，溫度高於高鉻鑄鐵熔點50℃，其流動性較好，依靠重力能夠較好的滲入到碳化鎢顆粒之間，當感應器正下方的高鉻鑄鐵熔化後，將砂型模與感應器產生相對水平運動，運行速度100mm/min，約10分鐘後，停止加熱，冷卻至室溫，打開砂型，清理打磨即為複合耐磨板。如圖4所示。
權利要求
1.一種碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材，其特徵是它由碳化鎢硬質相顆粒和鋼/鐵基韌性相複合而成，碳化鎢顆粒的體積組成比為-2.5～+2mm∶30～40％；-2～+1mm∶30～40％；-1～+0.3mm∶25～30％，採用中頻感應加熱使鋼/鐵基體熔化後滲透到碳化鎢硬質相顆粒間隙。
2.根據權利要求1所述的碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材，其特徵是該耐磨板材的複合層(8)厚度為4～5mm。
3.一種製備權利要求1所述碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的工藝，其特徵是該製備工藝包括下述步驟(1)、根據所需板材的尺寸製作砂型模，砂型模要壓實；(2)、碳化鎢顆粒的按體積組成比-2.5～+2mm∶30～35％；-2～+1mm∶30～40％；-1～+0.3mm∶25～30％，進行充分球磨6小時，得到均勻的WC粉末混合物；將WC粉末混合物均勻的鋪覆於砂型槽的底部；(3)、根據砂型模的尺寸，截取相應長度和寬度的鋼/鐵基韌性金屬板材，並對韌性金屬板材進行鋼球噴丸處理，除去表面的油汙和氧化層，然後平放於WC粉末混合物的上面；(4)、將放置好的砂型置於帶有保護氣氛的中頻感應加熱箱內，將整個砂型與中頻感應器處於相對水平運動狀態，中頻感應加熱使鋼/鐵基板材熔化，滲入到碳化鎢顆粒之間，冷卻至室溫，得到複合耐磨板。
4.根據權利要求3所述的碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的製備工藝，其特徵是步驟(2)WC粉末混合物鋪覆在砂型槽底部，其厚度為2～3mm。
5.根據權利要求4所述的碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的製備工藝，其特徵是步驟(4)所述複合耐磨板耐磨層的厚度為4～5mm。
6.根據權利要求3所述的碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的製備工藝，其特徵是步驟(4)所述保護氣氛為氮氣。
7.根據權利要求3所述的碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的製備工藝，其特徵是步驟(4)所述感應電源頻率為6500～7000Hz，功率165～180Kw/h。
8.根據權利要求3所述的碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的製備工藝，其特徵是步驟(4)所述砂型與感應器相對水平運動狀態的運行速度90～100mm/min。
9.根據權利要求3所述的碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的製備工藝，其特徵是步驟(4)所述砂型與感應器的間隙距離3～4mm。
10.根據權利要求3所述的碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合材料耐磨板材的製備工藝，其特徵是步驟(3)所述截取相應長度和寬度的鋼/鐵基韌性金屬板，其厚度比所需複合耐磨板材厚度小1～2mm。
全文摘要
本發明公開了一種碳化鎢顆粒增強鋼/鐵基複合耐磨板材及其製備工藝，它由碳化鎢硬質相顆粒和鋼/鐵基韌性相複合而成，碳化鎢顆粒的體積組成比為－2.5～+2mm30～40％；－2～+1mm30～40％；－1～+0.3mm25～30％，鋼/鐵基體熔化後滲透到碳化鎢硬質相顆粒間隙，複合層厚度為4～5mm。本發明還公開了該複合耐磨板材的製備工藝，本發明在製備時不需要粘結劑，所得複合板材不但具有陶瓷顆粒的高硬度、高彈性模量，同時還具有金屬的良好韌性，能大大提高了耐磨板材的抗衝擊磨損性能。
文檔編號B22D23/00GK101078084SQ200710018139
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月27日 優先權日2007年6月27日
發明者許雲華, 牛立斌, 王雙成, 彭建洪 申請人:西安建築科技大學