[发明专利]陶瓷增强金属基耐磨复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷增强金属基耐磨复合材料及制备方法。属于陶瓷增强金属基复合材料领域，特别适用于磨煤机磨辊或磨盘，破碎机锤头，板锤，大型水泥磨辊和磨盘等。

背景技术

磨损是零部件失效的一种基本类型，普遍存在于冶金、矿山、电力、机械、国防、军工、航空航天等许多工业部门，这造成了材料的极大浪费和能源的巨大消耗。据不完全统计，目前国内每年消耗金属耐磨材料高达500万吨以上，其中每年因磨损造成球磨机的钢球消耗达100万吨，球磨机和各种破碎机衬板消耗近40万吨，轧辊消耗近70万吨，各种工程挖掘机和装载机斗齿、耐磨输送管道、破碎机锤头、履带板和磨辊、磨盘衬板等消耗超过60万吨，铁路道岔和车轮20万吨，各种模具钢消耗近150万吨。

以上数据可知，提高机械设备及零部件的耐磨损性能，可以大大减少能源消耗，提高生产效率。众所周知，陶瓷具有很高的耐磨损性能，而金属具有良好的韧性。这些性能很难在同一材料中协调一致，为了解决这一矛盾，使用复合材料是较好的选择。

陶瓷增强金属基复合材料能够将陶瓷的高硬度、高耐磨损性能和金属基体优良的韧性结合起来，是一种应用广泛的复合材料。

常见的耐磨铸件强化主要分为外加颗粒和原位内生成颗粒强化。外加陶瓷颗粒强化方法分为机械搅拌法外加陶瓷颗粒、渗透铸造法外加陶瓷颗粒、离心铸造法外加陶瓷颗粒等。

然而，外加陶瓷颗粒铸造法有三方面弊端：其一是颗粒与基体界面的污染和附着物的产生使基体与增强颗粒结合力降低；其二是增强颗粒的比例受到初始粉末的限制，多数颗粒尺寸都大于1μm，而且颗粒形状呈尖角对基体有割裂作用；其三是热力学稳定性差，增强颗粒在高温下易分解。原位生成陶瓷颗粒法虽然在铸件与陶瓷润湿性上得到提高，但存在铸件耐磨层薄、化学反应的影响因素多、增强相仅为金属陶瓷等缺陷，也不易于较大耐磨铸件的制作。

中国发明专利（CN 101585081A）采用粘结剂和特定的模具制作出陶瓷预制体，然后进行浇注，操作简单，能够批量生产，但浇注过程中由于金属和陶瓷热膨胀系数不同，陶瓷易出现裂纹，特别是氧化物陶瓷裂纹、破碎现象更为明显，另外，金属与陶瓷之间的结合是机械结合而不能实现冶金结合。中国发明专利（CN 101898238A）采用金属粉末与陶瓷颗粒混合连同模具在真空炉烧结炉内进行烧结，金属粉将陶瓷颗粒粘结在一起形成预制体，将预制体放入铸型型腔的端面，然后再对预制体进行浇注，形成颗粒增强复合材料。该工艺解决了氧化物陶瓷渗透难的问题，陶瓷颗粒与金属液结合良好，但工艺仍较复杂，颗粒和金属结合本质上仍为机械结合。

然而，自熔性合金是指熔点较低、熔融过程中能自行脱氧、造渣，能“润湿”基材表面而呈现冶金结合的一类合金。合金凝固后，在固溶体中能形成高硬度的弥散强化相，使合金的强度和硬度提高。

目前，绝大多数自熔性合金都是在铁基、镍基、钴基合金中添加适量的硼、硅元素而制成的。硼、硅可降低合金的熔点，并能导致合金的固相和液相之间有较宽的温度区间，硼、硅元素均可与常见基体材料，如镍、钴、铁等，在高温下生成低熔点的共晶，使合金熔点大幅度降低，镍基、钴基、铁基自熔性合金的熔点分别为800℃、800℃、1000℃左右。另外，硼、硅元素可提高合金的硬度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、陶瓷与金属基体之间通过自熔性合金呈冶金结合和高强度咬合的耐磨性能好的陶瓷增强金属基耐磨复合材料及制作方法。

本发明的技术解决方案是：

一种陶瓷增强金属基耐磨复合材料，其特征是：包括金属基耐磨件本体，在金属基耐磨件本体表面设置多个盲孔，盲孔中设置与金属基耐磨件本体冶金结合的自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体。

所述的金属基耐磨件材料为高锰钢、合金钢、高碳铬铁或镍铬低合金铸铁；所述的盲孔孔型为柱状、螺纹状或锥形；所述的自熔性合金粉末为镍基、铁基或钴基自熔性合金；所述的陶瓷颗粒为金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或金刚石。

所述自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体是陶瓷棒与自熔性合金粉末烧结体，其中陶瓷棒位于盲孔中心，自熔性合金粉末位于陶瓷棒与盲孔内壁之间，自熔性合金与金属基耐磨件本体呈冶金结合，与氧化物、氮化物或碳化物陶瓷棒为高强度咬合作用，有效防止陶瓷棒掉落。

陶瓷棒为金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷，陶瓷棒呈柱状、螺纹状或锥形结构。

所述自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体是自熔性合金粉末与陶瓷颗粒混合物的烧结体，其中陶瓷颗粒与自熔性合金粉末的质量比为1:0.6~1.2，自熔性合金与金属基耐磨件本体呈冶金结合。