Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料的技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料。另外，本發(fā)明還涉及該鋼基材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磨損是材料的主要破壞形式之一，其造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)驚人，中國(guó)每年因磨損消耗的鋼材已達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸。陶瓷材料具有耐熱、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)良性能。陶瓷材料強(qiáng)化金屬材料已成為研宄的熱點(diǎn)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，涉及陶瓷增強(qiáng)的金屬材料的方案有以下中國(guó)專利文獻(xiàn):
[0004]CN101181741A:采用工業(yè)T1-Fe粉和B4C粉作為反應(yīng)物，按照一定比例混合壓坯后置于鑄件內(nèi)，通過(guò)自蔓燃反應(yīng)在金屬內(nèi)形成Ti2B、TiC陶瓷增強(qiáng)顆粒，達(dá)到強(qiáng)化金屬的目的；
[0005]CNlOl 195888A:將T1、Cr、C粉末用上述同樣的方法加入鑄件中，得到了(T1、Cr)C、Cr7C3為陶瓷強(qiáng)化相的鋼基復(fù)合材料；
[0006]CN101214541A:采用N1、Ti和B4C壓塊制備了 Ti2B、TiC陶瓷顆粒局部強(qiáng)化的錳鋼；
[0007]CN102366829A:采用不同粒度的Al2O3顆粒強(qiáng)化提高鋼的表面強(qiáng)度和耐磨性。采用的是在鑄件表面添加Al2O3顆粒方法。由于Al 203與鋼存在界面結(jié)合問(wèn)題，其強(qiáng)化效果達(dá)不到預(yù)想的目的。
[0008]上述專利技術(shù)基本上是在鑄造模型內(nèi)預(yù)置可發(fā)生自蔓燃反應(yīng)的壓塊，通過(guò)澆鑄引燃反應(yīng)生成Ti2B、TiC等在鑄件的表面形成強(qiáng)化相；或是將陶瓷顆粒置于鑄腔內(nèi)，通過(guò)澆鑄使陶瓷顆粒分布于工件的表面，以達(dá)到表面強(qiáng)化的目的，但不能實(shí)現(xiàn)材料的整體強(qiáng)化。并且在鑄造型膜內(nèi)發(fā)生自蔓燃反應(yīng)，該反應(yīng)不易控制，易導(dǎo)致放出大量氣體，會(huì)導(dǎo)致鑄件的孔洞增加，引起強(qiáng)度下降。
[0009]另外，上述專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化所采用的材料為T1、Cr、B4C或規(guī)定目數(shù)的Al2O3粉末，其材料的成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料，其目的是以較低成本提高鋼材的整體強(qiáng)度。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0012]本發(fā)明的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料，其中，所述的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷包括Li長(zhǎng)石、藍(lán)晶石、長(zhǎng)石；或者，所述的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷包括Li長(zhǎng)石、Al2O3、藍(lán)晶石、釩土、莫來(lái)石、T12、娃灰石。
[0013]所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷在鋼基材料中均勻分布。
[0014]所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷以粉末狀加入鋼基材料中熔煉，其粉末粒度為Iym?20 μ m0
[0015]按質(zhì)量計(jì)算，所述鋼基材料中各成分的含量分別為:
[0016]Li 長(zhǎng)石:0.3%?3%，Al2O3:0.5%?2%，藍(lán)晶石:0.3%?3%，f凡土:0.15%?1.5%，莫來(lái)石:0.2%?2%，Ti02:0.3%?1.5%，硅灰石:0.10%?1.5%，C:0.05%?
0.3%, S^0.02%, P ^ 0.02% ;其余為 Fe。
[0017]本發(fā)明還提供以上所述的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料的制備方法，其技術(shù)方案是:
[0018]首先，將按質(zhì)量比配置的鋼的原料加入熔煉爐，加熱；然后，將混合烘干的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷的粉末加入熔煉爐；待陶瓷粉末及鋼水完全熔化，即可澆鑄出鋼。
[0019]所述鋼基材料采用中頻爐冶煉。
[0020]所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷的制備工藝是:
[0021]按質(zhì)量比例配置成陶瓷材料，配置好的陶瓷材料混合Ih?6h后，烘干，形成所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷的粉末。
[0022]所述鋼的原料為廢鋼。
[0023]所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料為鑄態(tài)；或者為鍛造態(tài)；或者為熱軋態(tài)。
[0024]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，其有益效果是:
[0025]1、制備本發(fā)明的復(fù)合陶瓷鋼基材料所用的原料，為廢鋼和礦物陶瓷原料，均在市場(chǎng)上容易獲得，且價(jià)格較低，與現(xiàn)有的鋼基復(fù)合材料相比，有效地降低了成本，因此，降低了高耐磨、耐蝕用鋼總體生產(chǎn)成本；
[0026]2、采用中頻爐冶煉，可將陶瓷材料充分溶入鋼基體，實(shí)現(xiàn)材料的整體強(qiáng)化；材料的機(jī)械性能可以達(dá)到:屈服強(qiáng)度470MPa?960MPa、抗拉強(qiáng)度750MPa?1500MPa、斷面收縮率18%?25%，延伸率25%?35%;材料的硬度為25?65HRC ;沖擊功為50J?150J ;因此，本發(fā)明提供的是一種高耐磨、耐蝕的復(fù)合材料；
[0027]3、上述復(fù)合陶瓷鋼基材料可以是鑄態(tài)、鍛造狀態(tài)、熱軋態(tài)；上述制備方法的操作工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉，易于在工業(yè)上推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明中復(fù)合陶瓷含量為14%的鋼基材料的金相組織顯微照片；
[0029]圖2是本發(fā)明中復(fù)合陶瓷含量為10%的鋼基材料的金相組織顯微照片。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖，通過(guò)對(duì)實(shí)施例的描述，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，以幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0031]本發(fā)明涉及用復(fù)合陶瓷材料增強(qiáng)鋼的強(qiáng)度的技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)以較低成本整體提高鋼材強(qiáng)度的發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0032]本發(fā)明的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料，其中，所述的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷包括Li長(zhǎng)石、藍(lán)晶石、長(zhǎng)石及少量稀土 ；或者，所述的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷包括Li長(zhǎng)石、Al2O3、藍(lán)晶石、隹凡土、莫來(lái)石、T12、娃灰石。
[0033]本發(fā)明將Li長(zhǎng)石、藍(lán)晶石、長(zhǎng)石及少量稀土等陶瓷粉末充分混合，以廢鋼為原料采用中頻熔煉制備鋼基復(fù)合材料；在熔煉過(guò)程中將復(fù)合陶瓷粉加入鋼熔煉爐中，形成陶瓷均勻分布的陶瓷一鋼基復(fù)合材料，提高材料的耐磨、耐蝕性能，并可實(shí)現(xiàn)材料的整體強(qiáng)化，且成本較低。
[0034]上述技術(shù)方案，1、解決了陶瓷材料低溫下融化技術(shù)問(wèn)題；2、解決了陶瓷比重與金屬比重不等狀態(tài)下，陶瓷材料懸浮性；3、以鐵基為主體下陶瓷作為新鋼種多元結(jié)構(gòu)的結(jié)晶體；4、元晶特鋼(PH鋼)的耐磨性與硬度沒(méi)有直接的關(guān)系；5、解決該鋼種焊接、鍛壓、回火、淬火等加工成型技術(shù)；6、滿足產(chǎn)品在不同工況環(huán)境下服役條件。
[0035]具體技術(shù)參數(shù)分別是:
[0036]所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷以粉末狀加入鋼基材料中熔煉，其粉末粒度為Iym?20 μ m0
[0037]按質(zhì)量計(jì)算，所述鋼基材料中各成分的含量分別為:
[0038]Li 長(zhǎng)石:0.3 % ?3 %，A1203:0.5 % ?2 %，藍(lán)晶石:0.3 % ?3 %，f凡土:0.15 % ?1.5%，莫來(lái)石:0.2%?2%，Ti02:0.3%?1.5%，硅灰石:0.10%?1.5%，C:0.05%?
0.3%, S^0.02%, P ^ 0.02% ;其余為 Fe。
[0039]本發(fā)明還提供以上所述的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料的制備方法，其技術(shù)方案是:
[0040]首先，將按質(zhì)量比配置的鋼的原料加入熔煉爐，加熱至500°C?700°C ;然后，將混合烘干的Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷的粉末加入熔煉爐；待陶瓷粉末及鋼水完全熔化，即可澆鑄出鋼。陶瓷粉末及鋼水完全熔化的溫度為1600°C?1700°C，一般可取1650°C。
[0041]復(fù)合陶瓷鋼基材料采用中頻爐冶煉；
[0042]所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷的制備工藝是:
[0043]按質(zhì)量比例配置成陶瓷材料，配置好的陶瓷材料混合I小時(shí)?6小時(shí)后，烘干，形成所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷的粉末。
[0044]所述鋼基材料中鋼的原料為廢鋼。
[0045]本發(fā)明主要采用國(guó)內(nèi)非金屬陶瓷材料等鋁硅酸鹽原礦石粉材，與廢舊金屬材料，在中頻電爐加熱熔煉，使材料在不同溫度階段化合分解結(jié)晶。
[0046]在中頻電爐有效的溫度1650°C范圍內(nèi)，將陶瓷材料經(jīng)過(guò)融化分解結(jié)晶、再分解、再結(jié)晶的三次分解結(jié)晶的過(guò)程，形成陶瓷彌散復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化相變，生成新型鋼種材料一一元晶特鋼(PH鋼)。兀晶特鋼(PH鋼)具有在保證尚強(qiáng)度、尚硬度的同時(shí)還同時(shí)具有$父尚韋刃性、高耐磨性、高耐熱性能、較好的抗腐蝕性能。
[0047]上述制備方法的工藝過(guò)程分析:
[0048]在熔煉陶瓷材料時(shí)，部分非金屬材料在溫度處于300°C?800°C階段開(kāi)始慢慢溢出液態(tài)，溢出液態(tài)開(kāi)始球化陶瓷粉末，形成大小不等的小塊狀和球體狀。溢出的液態(tài)同時(shí)具有催化金屬材料特性，使其與陶瓷材料得到同步球化、融化、分解作用，達(dá)到第一次粗放結(jié)晶。初放型結(jié)晶目的是因?yàn)樘沾刹牧吓c金屬材料的比重差值，陶瓷材料產(chǎn)生懸浮得到有效控制。此階段定義為初放型結(jié)晶。
[0049]隨著溫度上升至900°C?1350°C階段，初始結(jié)晶得到再次分解，但不具有完整結(jié)晶。液態(tài)相非常稀薄，原始礦石粉材非金屬陶瓷中雜質(zhì)隨鋼水的運(yùn)動(dòng)向爐壁聚集。爐壁的凝合物隨鋼水溫度和鋼水運(yùn)動(dòng)慢慢進(jìn)行分解。同時(shí)凝合物也具有保護(hù)爐內(nèi)壁體在高溫下熔煉的損害。該階段不能有效完全分解。此階段定義為第二次分解雜質(zhì)期。
[0050]隨著溫度上升至1500°C?1650°C階段，鋼水溫度的上升和鋼水運(yùn)動(dòng)加速，也慢慢出現(xiàn)微細(xì)結(jié)晶狀態(tài)；當(dāng)達(dá)到1650°C額定溫度時(shí)，微結(jié)晶狀態(tài)在很短時(shí)間內(nèi)快速分解。分解出少量雜質(zhì)在鋼水表面形成，清理雜質(zhì)后鋼水非常清澈、明亮，徹底分解完整液態(tài)體。此期間被稱為相變分解結(jié)晶終結(jié)期，形成了完整彌散復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化相變的穩(wěn)定結(jié)晶體，稱之為第三次的分解結(jié)晶。
[0051]該結(jié)晶體具有獨(dú)特的性能，把金屬材料高剛度、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)和陶瓷材料的高耐磨和耐蝕等優(yōu)異性能有機(jī)的結(jié)合，使其產(chǎn)品高溫區(qū)域保持較高的強(qiáng)度和硬度，不易產(chǎn)生疲勞裂紋；同時(shí)對(duì)常用酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)具有抗腐蝕能力。因此具有很強(qiáng)的結(jié)合力、很高的硬度和較好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性，又具有較高耐磨性、低的摩擦系數(shù)。這就是以上所述的元晶特鋼(PH鋼)所具備的性能。
[0052]所述Li長(zhǎng)石復(fù)合陶瓷增強(qiáng)的鋼基材料可以是鑄態(tài)、鍛造態(tài)、熱軋態(tài)。
[0053]用廢鋼和廉價(jià)礦物的陶瓷制備復(fù)合陶瓷鋼基材料，這種材料的制備方法是用中頻感應(yīng)熔煉制成鑄件或鑄錠；鑄錠可通過(guò)鍛造或軋制成型。這種材料的機(jī)械性能可以達(dá)到:
[0054]屈服強(qiáng)度470MPa?960MPa、抗拉強(qiáng)度750MPa?1400MPa、斷面收縮率18 %?25%，延伸率25%?35% ;材料的硬度為25?65HRC ;沖擊功為50J?1