[发明专利]一种非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于金属基复合材料制备技术领域，公开了一种具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法，首先将高活性的微粉与粘结剂混合均匀，然后将混合物通过物理吸附作用包裹在与钢铁润湿性较差的陶瓷颗粒表面，通过重力铸造的方法制备出陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。本发明制备的复合材料陶瓷颗粒与钢铁基体间存在厚度为5～30μm的界面过渡区，使非浸润的陶瓷颗粒与钢铁基体之间的界面结合类型由机械结合转变为冶金结合，复合材料的界面结合强度高达128Mpa，成本低廉，工艺简单，生产效率高，可显著提高耐磨件的使用寿命。

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备技术领域，尤其涉及一种具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术是：陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料由于其兼具陶瓷材料的高硬度、高耐磨性能和金属的高强度、良好塑性及韧性，已成为当前国内外科研及产业化领域关注焦点。与钢铁润湿性较差的陶瓷颗粒(如氧化铝、氧化锆、氧化锆增韧氧化铝、氧化铝强化氧化锆等)具有强度高，耐磨性好和成本低等优点，采用这些颗粒制备的钢铁基复合材料具有优异的磨损性能，是目前耐磨材料领域的研究热点。目前国外相关产品已有工业应用，且进入中国市场并形成垄断。然而，国内外关于非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的相关研究，如颗粒表面镀覆金属以改善润湿性等，陶瓷颗粒与钢铁基体之间的界面结合方式仍均为机械结合，结合强度低，复合材料力学性能较差，导致复合材料在抗磨损服役过程中的可靠性和耐磨性能急剧下降。

上述技术瓶颈亟待突破，提高材料耐磨性能，延长设备使用寿命势在必行。对陶瓷颗粒表面进行预处理以提高其与钢铁熔体之间的润湿性无疑为实现这一目标提供了一条新途径。根据界面润湿理论，固液两相接触时，参与反应的元素先在界面富集吸附，当吸附量超过了元素所在界面的临界浓度时，界面反应发生，反应产物在固/液界面上形核析出。但是，现有非浸润型陶瓷颗粒中的元素在陶瓷颗粒/钢铁熔体的界面处不易富集，是造成润湿性不足的因素之一，从而导致二者间的结合强度不好。

综上所述，现有技术存在的问题是：陶瓷颗粒与钢铁基体之间的界面结合方式仍均为机械结合，结合强度低，复合材料力学性能较差，导致复合材料在抗磨损服役过程中的可靠性和耐磨性能急剧下降。

解决上述技术问题的难度：由于本专利中涉及的陶瓷颗粒与钢铁熔体之间不润湿是陶瓷的本质属性，因此难以采用现有技术方法改善两者之间的润湿性。

现有非浸润型陶瓷颗粒中的元素在陶瓷颗粒/钢铁熔体的界面处不易富集，造成润湿性不足。

解决上述技术问题的意义：在陶瓷颗粒与钢铁基体间生成具有一定宽度的反应型界面过渡区，该界面过渡区与陶瓷颗粒和钢铁基体之间均具有良好的润湿性，从而使组织和性能有良好的过渡，使陶瓷与钢铁基体之间的界面结合方式从机械结合转变为冶金结合，提高界面结合强度，提高材料耐磨性能，延长设备使用寿命。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种具有反应型界面过渡区的非浸润型陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料及其重力铸造制备方法包括以下步骤：

步骤一，对与钢铁熔体非浸润的陶瓷颗粒进行表面预处理，获得具有“核壳结构”的颗粒；其中，所述表面预处理为：将高活性的微粉与粘结剂混合均匀，然后将混合物按一定比例通过物理吸附作用包裹在陶瓷颗粒表面。

所述的与钢铁熔体非浸润的陶瓷颗粒，包括氧化铝(Al₂O₃₎，氧化锆增韧氧化铝(ZTA)，氧化铝强化氧化锆(ATZ)、氧化锆(ZrO₂)中的一种或几种任意比例混合。