本發(fā)明涉及一種鋼基金屬陶瓷復合材料及其制備方法。
背景技術：
隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，迫切需要能在高速度、高沖擊力和高擠壓力工況下，能保持長壽命工作的耐磨材料產(chǎn)品，單純一種鋼鐵材料制備的耐磨件越來越難以滿足現(xiàn)代工業(yè)長壽命，高效率工作的需求。因而開發(fā)新型耐磨材料，提高耐磨材料的使用壽命和降低制造成本是國內外研究和生產(chǎn)部門急需解決的重要課題，并具有重大的國民經(jīng)濟意義。提高金屬材料耐磨性能十分有效的途徑就是制備金屬陶瓷顆粒或棒料增強金屬基復合材料。然而，無論是單純外加還是原位顆粒增強金屬基復合材料，多為整體強化，都不能解決在一個零件中耐磨性與強韌性這一對難以解決的致命矛盾，即磨損部分應有高的耐磨性，基體（非磨損部位）為了承受不同的載荷和沖擊力而需要高的強韌性（因有隨著耐磨性能的增加）。但是在很多場合，并不要求材料整體都進行顆粒增強，如挖掘機鏟齒僅需齒尖增強，齒褲部分則需具有更好的強韌性，以防止使用過程中早期斷裂而失效。同樣，破碎機錘頭僅在錘頭打擊部分需要增強，保持高的硬度，而錘身則需要一定的韌性，避免錘身斷裂失效。此外，整體增強復合材料成本高，在一定程度上限值了其應用范圍，因此，急需開發(fā)新型梯度增強金屬基復合材料。
技術實現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明的目的在于提供一種高強、高韌、高耐磨的鋼基金屬陶瓷復合材料。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
一種鋼基金屬陶瓷復合材料，包括鋼基層和金屬陶瓷層，其特征在于：所述鋼基層由下列組分組成：c:0.01～1.5％，cr:0.1～15％，mo≤2％，ni≤2％，mn≤30％，v≤1.0％，ti≤1.0％，余量為fe；所述金屬陶瓷層包括下列組分組成：c：1.6～4.5％，cr：16～45，mo≤4.0％，ni≤4.0％，mn≤30％，cu≤5.0％，v≤3.0％，ti≤3.0％，余量為fe；所述百分比為重量百分比。
為了進一步增強上述鋼基金屬陶瓷復合材料的耐磨性能，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，上述金屬陶瓷層組分還包括鎢，鎢的用量由本領域普通技術人員根據(jù)耐磨件的實際情況進行調整；所述鎢為碳化鎢顆?；虬袅?。
為了進一步增強上述鋼基金屬陶瓷復合材料的沖擊韌性，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，上述金屬陶瓷層組分還加入鋼筋或龍骨；所述鋼筋的型號為φ5～φ100，鋼筋的加入量為1～100根。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，上述鋼基金屬陶瓷復合材料金屬陶瓷層硬度hrc為60～70度，鋼基層硬度hrc為36～50度，沖擊韌性ak值為40～150j/m3。
鋼基層與金屬陶瓷層的厚度根據(jù)實際情況需要進行確定，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，鋼基層厚度為1～500mm，金屬陶瓷層厚度為1～1000mm。
上述鋼基層和金屬陶瓷層為冶金結合。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明的目的在于提供一種上述鋼基金屬陶瓷復合材料的制備方法。
方案一
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，上述鋼基金屬陶瓷復合材料的制備方法，采用如下步驟：
將上述鋼基層原料和金屬陶瓷層原料分別熔化，在1400～1680℃進行鋼基層澆注，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時，澆注金屬陶瓷層；所述金屬陶瓷層澆注的溫度為1380～1600℃。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，澆注完鋼基層后直接澆注金屬陶瓷層，會導致鋼基層與金屬陶瓷層混合澆注，從而實現(xiàn)了整體強化，無法解決一個零件中耐磨性與強韌性的致命矛盾；同樣，如果澆注鋼基層時間過久，再澆注金屬陶瓷層，會難以實現(xiàn)金屬陶瓷層與鋼基層的冶金結合。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，澆注鋼基層與澆注金屬陶瓷層的時間間隔為30秒～180分鐘，該時間間隔隨鋼基層與金屬陶瓷層厚度的增加而增加，以實現(xiàn)鋼基層與金屬陶瓷層之間的冶金結合。
方案二
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，上述鋼基金屬陶瓷復合材料的制備方法，采用如下步驟：
將上述鋼基層原料和金屬陶瓷層原料分別熔化，在1380～1600℃進行金屬陶瓷層澆注，待金屬陶瓷層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時，澆注鋼基層；所述鋼基層的澆注溫度為1400～1680℃。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，上述鋼基金屬陶瓷復合材料澆注完成后，在1020℃～1080℃進行淬火熱處理。
有益效果：
本發(fā)明提供了一種鋼基金屬陶瓷復合材料，該材料由特定成分的鋼基層和金屬陶瓷層澆注而成，金屬陶瓷層硬度hrc為60～70度，鋼基層硬度hrc為36～50度，沖擊韌性ak值為40～150j/m3，延展性大于15%，抗彎強度大于800mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結合為冶金結合，焊接性能良好，有效解決了在同一零件中存在的高耐磨性能（高硬度），與高強、高韌的矛盾問題。本發(fā)明制備方法簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
附圖說明
圖1為實施例1制備的鋼基金屬陶瓷復合材料示意圖，1-金屬陶瓷層，2-鋼基層，3-結合界面，4-型砂。
實施例
下面通過實施例對本發(fā)明進行具體的描述，有必要在此指出的是，以下實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域的技術人員可以根據(jù)上述本發(fā)明內容對本發(fā)明作出一些非本質的改進和調整。除特殊說明外，本發(fā)明所述百分比均為重量百分比。
實施例1
鋼基金屬陶瓷復合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.45％，cr:3.5％，mo:0.15％，ni:0.33％，mn:1.2％，v:0.18％，ti:0.49％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：3.2％，cr：28％，mo:1.5％，ni:1.0％，mn:1.2％，cu:2.0％，v:0.33％，ti:0.55％，余量為fe。
制備工藝
將上述鋼基層原料和金屬陶瓷層原料分別熔化，對砂箱進行抽真空，當真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1650℃的基體鋼水，鋼基層厚度為300mm，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時（約30分鐘），在真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1480℃的金屬陶瓷液，金屬陶瓷層厚度為500mm。在1050℃左右經(jīng)過淬火熱處理，熱處理的時間根據(jù)實際情況確定。
鋼基金屬陶瓷復合材料示意圖見圖1。
制得的鋼基金屬陶瓷復合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為63度，鋼基層硬度hrc為45度，沖擊韌性ak值為120j/m3，延展性為18%，抗彎強度為950mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結合為冶金結合，具有良好的可焊性，用于制備挖掘機鏟齒，耐磨性與沖擊韌性好。
實施例2
鋼基金屬陶瓷復合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.55％，cr:6.8％，mo:0.8％，ni:1.2％，mn:12％，v:0.5％，ti:0.5％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：4.0％，cr：35％，mo:3.2％，ni:3％，mn:15％，cu:2.8％，v:1.5％，ti:2.0％，余量為fe。
制備工藝
將上述鋼基層原料和金屬陶瓷層原料分別熔化，對砂箱進行抽真空，當真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1620℃的基體鋼水，鋼基層厚度為200mm，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時（約25分鐘），在真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1480℃的金屬陶瓷液，金屬陶瓷層厚度為350mm。在1020℃左右經(jīng)過淬火熱處理，熱處理的時間根據(jù)實際情況確定。
制得的鋼基金屬陶瓷復合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為66度，鋼基層硬度hrc為48度，沖擊韌性ak值為100j/m3，延展性為15%，抗彎強度為850mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結合為冶金結合，具有良好的可焊性，用于制備破碎機錘頭，耐磨性與沖擊韌性好。
實施例3
鋼基金屬陶瓷復合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.40％，cr:6.5％，mo:0.55％，ni:0.80％，mn:12％，v:0.38％，ti:0.62％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：4.2％，cr：35％，mo:2.5％，ni:1.2％，mn:15％，cu:3.0％，v:0.53％，ti:0.75％，w：1.5％，余量為fe。
制備工藝
將上述鋼基層原料熔化，對砂箱進行抽真空，當真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1680℃的基體鋼水，鋼基層厚度為500mm，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)（約60分鐘），在真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1520℃的金屬陶瓷液，金屬陶瓷層厚度為800mm。在1080℃左右經(jīng)過淬火熱處理，熱處理的時間根據(jù)實際情況確定。
制得的鋼基金屬陶瓷復合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為69度，鋼基層硬度hrc為38度，沖擊韌性ak值為150j/m3，延展性為25%，抗彎強度為1050mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結合為冶金結合，具有良好的可焊性，用于制備挖掘機鏟齒，耐磨性與沖擊韌性好。
實施例4
鋼基金屬陶瓷復合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.50％，cr:4.8％，mo:0.6％，ni:1.0％，mn:2.5％，v:0.35％，ti:0.25％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：4.0％，cr：45％，mo:3.5％，ni:1.8％，mn:5.5％，cu:2.8％，v:0.75％，ti:0.88％，余量為fe。
制備工藝
將上述鋼基層原料熔化，對砂箱進行抽真空，當真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1620℃的基體鋼水，鋼基層厚度為500mm。將上述金屬陶瓷層原料熔化，加入適量去水分的碳化鎢熔化，待鋼基層鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時（約180分鐘），在真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1480℃的金屬陶瓷液，澆注時加入去氧化層、去水分過后的鋼筋（φ10）5根，以增強金屬陶瓷的韌性，其中金屬陶瓷層厚度為1000mm。在1050℃左右經(jīng)過淬火熱處理，熱處理的時間根據(jù)實際情況確定。
制得的鋼基金屬陶瓷復合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為68度，鋼基層硬度hrc為50度，沖擊韌性ak值為90j/m3，延展性為16%，抗彎強度為1020mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結合為冶金結合，具有良好的可焊性，用于制備破碎機錘頭，耐磨性與沖擊韌性好。
實施例5
鋼基金屬陶瓷復合材料的制備：
鋼基層原料配比：c:0.45％，cr:6.8％，mo:0.5％，ni:0.7％，mn:1.5％，v:0.45％，ti:0.65％，余量為fe；金屬陶瓷層配比：c：4.5％，cr：32％，mo:3.2％，ni:1.2％，mn:8.5％，cu:2.5％，v:0.65％，ti:0.18％，余量為fe。
制備工藝
將上述金屬陶瓷層原料熔化，對砂箱進行抽真空，當真空度為-0.08mpa時澆入溫度為1480℃的金屬陶瓷液，澆注時加入去氧化層、去水分過后的鋼筋（φ5）3根，以增強金屬陶瓷的韌性，其中金屬陶瓷層厚度為900mm。待金屬陶瓷鋼水冷卻至液固兩相區(qū)時（約180分鐘），在真空度為-0.08mpa時澆入溫度1620℃的基體鋼水，鋼基層厚度為480mm。在1050℃左右經(jīng)過淬火熱處理，熱處理的時間根據(jù)實際情況確定。
制得的鋼基金屬陶瓷復合材料，金屬陶瓷層硬度hrc為70度，鋼基層硬度hrc為45度，沖擊韌性ak值為105j/m3，延展性為16%，抗彎強度為920mpa，鋼基層與金屬陶瓷層的界面結合為冶金結合，具有良好的可焊性，用于制備破碎機錘頭，耐磨性與沖擊韌性好。