[发明专利]一种基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料及方法

说明书

技术领域

本发明涉及稀土陶瓷复合材料技术领域，尤其是基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料技术领域。

背景技术

利用表面工程技术方法，对金属基体进行表面改性加工，以提高或者改变其应用工程性能，是目前普遍采用的技术方法，并在生产实践中取得了很好的技术和经济效益，但在这些金属表面改性技术中，存在着一些技术缺陷，如，生产工艺复杂、加工周期长、能源消耗大、适用范围狭窄、加工成本高等，所以，在目前使用的金属表面改性技术方法的基础上，运用复合材料可设计特性及其生成机理，在金属基体上制造复合材料，探索和创新金属表面改性技术，是非常迫切和必要的，也是表面工程技术发展的方向之一。

发明内容

本发明的目的，是针对目前金属表面改性技术存在的上述技术缺陷，提供一种基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料及方法。

本发明的技术方案是，一种基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料，它是一种VC-Nb-RE-Fe-C结构的多元多相陶瓷晶体，其中VC是碳化钒化合物、Nb是金属铌元素、RE是稀土元素、Fe是金属铁元素、C是碳元素，它与金属基体结合的剖面形状，是一种非规则的锯齿相互咬合状，并以一定厚度完全覆盖于金属基体表面之上。

以上所述的基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料，所述金属基体是经过热处理的各种钢材成型件，可以是模具，也可以是管材，也可以是机械零件，也可以是工具，也可以是刀具，也可以是其他钢材成型件，可以通称为加工工件；

本发明所述的基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料的制作方法是：

第一步，制作载体熔液制备，将制作载体粉末材料与稀土粉末材料均匀混合以后，置入制作容器中加温至600℃至800℃，在稀土元素的活化作用下，使制作载体粉末材料至熔融状态，其中，制作载体粉末材料与稀土粉末材料的比例是98至92比2至8；

第二步，复合材料熔液制备，将V₂O₅粉末材料、NbC粉末材料、稀土粉末材料分别加入至制作容器中，保持温度600℃至800℃，直至V₂O₅粉末材料、NbC粉末材料、稀土粉末材料、氧还原粉末材料等，它们均匀地悬浮于制作载体熔液中，其中，V₂O₅粉末材料、NbC粉末材料、稀土粉末材料的比例是68至78比22至19比10至3；

第三步，制作碳化钒稀土陶瓷复合材料，将经过表面清洁处理的加工工件，完全置入到制作容器内的混合熔液中，保持温度600℃至800℃，保温时间为2至6小时；

第四步，后续处理，取出加工工件自然冷却或进行相关的热处理操作，最后进行表面抛光处理。

在以上所述基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料的制作方法中，所述制作载体粉末材料，是仅作为所述基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料制作介质，不参与其制作反应的材料，可以是工业硼砂，也可以是工业硼砂与其他中性盐的混合物，也可以是其他可以作为所述基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料制作介质的其他材料；

所述制作容器为特殊耐热合金材料制作，一般为圆桶形，外壁有发热电阻带和保温材料外壳，可以内置搅拌装置。

所述稀土粉末材料，是富含重稀土元素的氧化物粉末，可以是三氧化二钇Y₂O₃粉末材料，也可以是三氧化二钪Sc₂O₃粉末材料，也可以是富含其他重稀土元素的氧化物粉末材料；

所述氧还原粉末材料，是所述基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料制作过程中，对氧进行还原的辅助材料，可以是金属铝粉末材料，也可以是其他氧还原剂粉末材料；

所述各种材料的比例、控制温度、保温时间等，是依据所述金属基体材料的结构和组织状况，考虑后续使用的工况及制作所述基于金属基体的碳化钒稀土陶瓷复合材料的目标厚度、性能需求等参数事先设计的；

本发明的技术思路是，利用钒、铌等金属元素能够与铁、碳及稀土元素，混合反应生成一种新型陶瓷材料的化学特性，同时利用钒、铌等金属元素，在一定温度条件下，能够析出含碳钢材中的碳、铁元素，并按一定的规律与析出反向扩散，与碳、铁、稀土等元素，在部分改变含碳钢材机械与加工性能的基础上，在含碳钢材的表面能够生成一种新陶瓷材料的工艺特性，采用工艺载体熔液作为加工介质、在其中以钒的氧化物为主要材料、以碳化铌为添加剂，以稀土元素作为催渗剂、以含碳钢材为基体，在一定温度条件下，在含碳钢材基体表面制造一种碳化钒稀土陶瓷复合材料。