一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法，包括：步骤一，设计氧化物混合原料的成分；步骤二，将氧化物混合原料研磨，分别制成细粒氧化物原料和粗粒氧化物原料；步骤三，设计球墨铸铁的化学成分；步骤四，将球墨铸铁的原料混合后利用感应炉熔炼，制成球墨铸铁制件，当制件成型冷却至500‑600℃时利用超音速火焰喷涂依次将粗粒氧化物原料和细粒氧化物原料喷涂至球墨铸铁表面，保温0.5‑1h后，整体在950‑980℃烧结2‑4h，得到所需复合材料。本发明专利技术中通过改进氧化物保护层原料的组成和球墨铸铁本身的化学组成使两者能够形成紧密结合的复合材料，提升了球墨铸铁表面防护的等级，从而大幅提升了球墨铸铁的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法
本专利技术属于金属复合材料领域，具体涉及一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法。
技术介绍
铸铁是一种铁碳合金，其特征为含碳量高，碳元素的质量百分含量大于2%，还含有较多的硅、锰、磷、硫等杂质元素。摊在铸铁中大部分以碳化物或者游离态的石墨存在，还有极少量固溶于铁素体。铸铁中的石墨晶格类型为简单六方晶格，其基面中的原子间距为0.142nm，结合力较强，但是两基面之间的面间距是0.340nm，结合力弱，因此石墨的基面很容易滑动，其强度、硬度、塑性和任性极地，常以片状形态存在。球墨铸铁中的石墨是球状的，强度和韧性高于灰铸铁等其他铸铁，同时具有优异的铸造性、高的阻尼性、好的切削加工性，并且与性能相近的钢铁相比，具有相对低廉的价格，因此在工业中获得了广泛的应用，如曲轴、凸轮轴、热轧辊等耐磨件往往采用球墨铸铁制造，在制造业中的用量位居所有金属材料的第二位。球墨铸铁也叫延性铸铁，其中的石墨扮演止裂器的角色，使其具有优异的人性和延性。球墨铸铁的多样性使其适合更多的应用，被认为是钢的替代品，但是由于球状石墨镶嵌在铁基体中，使得铁基体的强度不连续，而且在冲击载荷下球状石墨为裂纹源，容易造成基体的开裂。尽管球墨铸铁材料具有相应的优缺点，但是由于其优点突出——具有铁的本质、钢的性能、防腐性能优异、延展性能好，在工业领域仍旧得到了非常广泛的应用，尤其在管道运输领域，是优于塑料管道的金属材料的首选，从安装便利性和维护造价来看，具有优越的性价比。但是球墨铸铁材料也具有铁质材料的共性缺点——随着使用寿命的推移表面会逐渐被腐蚀。目前，针对球墨铸铁管道材料的防腐采用较多的是利用水泥砂浆涂层进行防腐或者高分子防护涂层进行防腐。现有技术中的防护方法尽管应用较多，但是仍旧存在防护层与球墨铸铁件之间结合力的问题，以及防护层随着使用时间的推移防护能力断层下降的问题，迄今为止并没有有效的方法对上述问题进行解决。
技术实现思路
为了解决所述现有技术的不足，本专利技术提供了一种利用氧化物保护层对球墨铸铁制件表面进行保护的方法，提供了一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法。本专利技术所要达到的技术效果通过以下方案实现：本专利技术中提供的一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一，设计氧化物混合原料的成分及质量百分比为：ZrO215-18%、HfO23-5%、Cr2O31-2%、SiO214-16%、MnO23-7%、BaO0.5-0.9%、CuO0.1-0.3%，余量为Al2O3；步骤二，将氧化物混合原料研磨，分别制成平均粒度为0.05-0.1μm的细粒氧化物原料和平均粒度为1-2μm的粗粒氧化物原料；步骤三，设计球墨铸铁的化学成分及质量百分比为：C3.85-3.92%、Si1.5-1.7%、Mn0.55-0.60%、P≤0.02%、S≤0.02%、Cr≤0.02%、B0.015-0.023%、Mo0.3-0.5%、Cu0.7-0.9%、Mg0.02-0.03%、Ni1.0-1.15%、V0.03-0.045%，余量为铁以及不能避免的杂质；所述球墨铸铁的原材料主要采用生铁和废钢，其余的采用钼铁、紫铜、铬铁、锰铁、钒铁；步骤四，将球墨铸铁的原料混合后利用感应炉熔炼，制成球墨铸铁制件，当制件成型冷却至500-600℃时利用超音速火焰喷涂依次将粗粒氧化物原料和细粒氧化物原料喷涂至球墨铸铁表面，保温0.5-1h后，整体在950-980℃烧结2-4h，得到所需复合材料。本专利技术的技术路线是：设计表面能较高的球墨铸铁，然后将氧化物防护层喷涂至球墨铸铁材料的表面，使两者紧密结合，形成新的复合材料。在本专利技术中采用的氧化物组合为以Al2O3为主的混合氧化物组成，仅以Al2O3作为氧化物保护层的原料在实践中证实与球墨铸铁表面之间的结合力并不好，而且烧结温度高，氧化层烧结的过程中容易引起球墨铸铁内部组织的变化从而产生不利的影响。本专利技术中在Al2O3的基础上添加了透明度更高的ZrO2以及与之相适配的HfO2，Zr与Hf是同族元素，具有相类似的原子结构，氧化物烧结过程中原子间可相互填充形成密堆结构提升氧化物层的致密程度。同时，Cr2O3、MnO2的添加能能够有效降低烧结温度，SiO2、BaO、CuO的混合添加则不仅能够降低烧结温度，而且能够使氧化层更为紧密地粘附于球墨铸铁表面。需注意的是，氧化物层的成分和用量需严格进行控制，单一组分或者多种组分的改变均不能带来本专利技术中的技术效果。本专利技术中同时还针对球墨铸铁的化学成分进行了改进，使球墨铸铁材料更加耐蚀，表面能更高，更能适应作为复合材料中的原材料进行使用。首先对球墨铸铁的成分进行适应性调配。为了得到合适的球磨铸铁组织，必须选择则合适的元素进行添加。本专利技术中选择Si、Mn、Mo、Cu、Ni作为主要的合金添加元素，同时掺杂少量的B、Mg和V，进一步地，控制P、S、Cr的含量。本专利技术中的主合金添加元素中，适量的Si和Ni能够共同影响球墨铸铁熔炼过程中石墨化的进程，能够降低奥氏体转变的临界温度，扩大奥氏体区，还可以降低共析点的含碳量，具有强烈稳定和细化珠光体的作用。Cu在共晶转变时能够促进石墨化，降低奥氏体转变的临界温度，促进珠光体的形成，对减少或者消除游离渗碳体的形成有利，提升球墨铸铁的韧性，Mo则能够明显细化珠光体，提升球墨铸铁的强度和淬透性，Cu和Mo的配合添加能够同时强化和细化珠光体以及珠光体中的铁素体，因此使得球墨铸铁的强度和硬度均有明显提升。从实际生产中可明显看出，B、Mg和V固溶至球墨铸铁的微观结构中，能够提升球墨铸铁的耐磨性和淬透性，但是添加量不宜过量，尤其是B的含量需严格控制在0.015-0.023%范围内，否则对球墨铸铁的综合力学性能产生不良影响，会使宏观韧性呈现断崖式下降。进一步地，步骤二中，细粒氧化物原料中，粒度为0.05-0.08μm的颗粒占细粒氧化物原料总量的95%以上。进一步地，步骤二中，粗粒氧化物原料中，粒度为1.5-1.8μm的颗粒占粗粒氧化物原料总量的95%以上。本专利技术中采用超音速火焰喷涂的工艺将氧化物层涂覆至球墨铸铁表面形成复合材料。与现有技术中一次喷涂不同，本专利技术中采用的是两次喷涂的工艺，而且通过将两次喷涂的氧化物原料颗粒设置不同，粗粒氧化物原料先涂覆于球墨铸铁表面，细粒氧化物原料后涂覆于球墨铸铁表面将粗粒氧化物层中空隙进行填充，两层氧化物层从而形成致密的氧化物保护层，而且第二层氧化物层喷涂过程中的涂覆力也有效深化了与球墨铸铁相接触的氧化物材料与之结合的程度。进一步地，步骤三中，球墨铸铁熔炼使用的球化剂为FeSiMg8Re7，球化剂加入方法为冲入法。进一步地，球化剂添加量为球墨铸铁原料质量的1.5-1.7%。进一步地，步骤四中，球墨铸铁熔炼温度为1480-1500℃。进一步地，步骤四中，氧化物烧结层的厚度为500-2000μm。进一步地，步骤四中，细粒氧化物原料用量为粗粒氧化物原料用量的1.1-1.2倍。细粒氧化物原料与粗粒氧化物原料用量之间的配比控制在1.1-1.2之间为宜，能够制备出最致密的氧化物保护层。本专利技术具有以下优点：本专利技术中提供了一种利用氧化物保护层对球墨铸铁制件表面进行保护的方法，提供了一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法。本专利技术中通过改进氧化物保本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，设计氧化物混合原料的成分及质量百分比为：ZrO215‑18%、HfO23‑5%、Cr2O31‑2%、SiO214‑16%、MnO23‑7%、BaO0.5‑0.9%、CuO0.1‑0.3%，余量为Al2O3；步骤二，将氧化物混合原料研磨，分别制成平均粒度为0.05‑0.1μm的细粒氧化物原料和平均粒度为1‑2μm的粗粒氧化物原料；步骤三，设计球墨铸铁的化学成分及质量百分比为：C3.85‑3.92%、Si1.5‑1.7%、Mn0.55‑0.60%、P≤0.02%、S≤0.02%、Cr≤0.02%、B0.015‑0.023%、Mo0.3‑0.5%、Cu0.7‑0.9%、Mg0.02‑0.03%、Ni1.0‑1.15%、V0.03‑0.045%，余量为铁以及不能避免的杂质；所述球墨铸铁的原材料主要采用生铁和废钢，其余的采用钼铁、紫铜、铬铁、锰铁、钒铁；步骤四，将球墨铸铁的原料混合后利用感应炉熔炼，制成球墨铸铁制件，当制件成型冷却至500‑600℃时利用超音速火焰喷涂依次将粗粒氧化物原料和细粒氧化物原料喷涂至球墨铸铁表面，保温0.5‑1h后，整体在950‑980℃烧结2‑4h，得到所需复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种包含球墨铸铁的复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一，设计氧化物混合原料的成分及质量百分比为：ZrO215-18%、HfO23-5%、Cr2O31-2%、SiO214-16%、MnO23-7%、BaO0.5-0.9%、CuO0.1-0.3%，余量为Al2O3；步骤二，将氧化物混合原料研磨，分别制成平均粒度为0.05-0.1μm的细粒氧化物原料和平均粒度为1-2μm的粗粒氧化物原料；步骤三，设计球墨铸铁的化学成分及质量百分比为：C3.85-3.92%、Si1.5-1.7%、Mn0.55-0.60%、P≤0.02%、S≤0.02%、Cr≤0.02%、B0.015-0.023%、Mo0.3-0.5%、Cu0.7-0.9%、Mg0.02-0.03%、Ni1.0-1.15%、V0.03-0.045%，余量为铁以及不能避免的杂质；所述球墨铸铁的原材料主要采用生铁和废钢，其余的采用钼铁、紫铜、铬铁、锰铁、钒铁；步骤四，将球墨铸铁的原料混合后利用感应炉熔炼，制成球墨铸铁制件，当制件成型冷却至500-600℃时利用超音速火焰喷涂依次将粗粒氧化物原料和细粒氧化物原料喷涂至球墨铸铁表面，保温0.5-...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶展亮，
申请(专利权)人：佛山市高明康得球铁有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44