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一种陶瓷增强钢复合材料及制备方法技术

技术编号:20415720 阅读:20 留言:0更新日期:2019-02-23 05:46
本发明专利技术公开一种陶瓷增强钢复合材料,所述复合材料基体为孪晶诱导塑性钢,所用增强体为陶瓷。通过将高硬度和高性能的陶瓷材料做为增强体与高强度、高韧性和塑性孪晶诱导塑性钢复合,克服铝镁基复合材料强度不足、塑性差以及使用温度有限等缺陷,有效提高材料的耐磨损能力。并且由于增强体的尺寸可以根据需要设计和调整,可以广泛适用于多种耐磨场合。本发明专利技术还公开了制作上述陶瓷增强钢复合材料的制备方法,该方法通过将基体孪晶诱导塑性钢浇注到固定有陶瓷增强材料的模型中制成,生产工序简单、对设备要求低、生产成本低,易于推广。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷增强钢复合材料及制备方法
本专利技术涉及一种金属复合材料,尤其涉及一种陶瓷增强钢复合材料及其制备方法。
技术介绍
新材料新技术的发展和应用是全面提高我国工业总体技术的基础,是核心技术也是关键技术。耐磨钢在我国电力、矿山等领域有着广泛的需求,通过提高材料的耐磨性能可以有效减少零件的消耗,从而提高效率、降低生产成本。目前耐磨材料用量最为广泛的是耐磨钢材料,耐磨钢材料制备工艺简单、可加工性强及后期装配容易等优点,但是耐磨钢的使用性能已经达到了极限,无法再通过提高硬度等措施进一步提高其耐磨性能。以高锰钢为例,其以应变诱导马氏体相变而获得了较高的耐磨性,然而高锰钢的耐磨性是基于马氏体相变层的不断磨损来实现的,其基体最终会因为尺寸的不断减小而影响使用;另外,高锰钢还不适用于低应变的耐磨场合。陶瓷材料作为新兴的材料,由于具有极高的耐磨性能,已经开始应用于部分耐磨领域,但是由于陶瓷材料脆性大、几乎没有塑性变形以及成本高等缺点,在作为耐磨材料在使用过程中受到了很大的限制。金属基复合材料作为先进的复合材料,结合了陶瓷和金属两者的优点,以其良好的综合力学性能在我国工业中发挥着重要的作用,成为研究的热门领域,其中典型的金属基复合材料是铝基复合材料和镁基复合材料,虽然铝镁基复合材料具有低密度、低成本、高比强度等优点,但是强度不足、塑性差以及使用温度有限是其主要缺点。钢基复合材料的主要制备手段有:粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法、以及原位反应法。其中粉末冶金法、喷射沉积法工序繁杂、制备周期长、制备成本高;搅拌铸造法的工艺简单、制备成本低,但是搅拌铸造法一般要求高温度、高真空,增强体尺寸限制苛刻,强化效果差、材料性能低;原位反应法工艺周期长,增强体类型非常有限,无法得到大尺寸的增强体颗粒。
技术实现思路
为了克服现有技术中铝镁基复合材料强度不足、塑性差以及使用温度有限等缺陷,有效提高材料的耐磨损能力;又能实现耐磨材料生产工序简单、对设备要求低、易于推广,本专利技术提供了一种陶瓷增强钢复合材料。本专利技术的技术方案为:一种陶瓷增强钢复合材料,所述复合材料基体为孪晶诱导塑性钢,所用增强体为陶瓷。优选地,所述孪晶诱导塑性钢基体成份质量比为0.4~2.0%C、5~35%Mn、0.05~4%Si、0.05~6%Al,余量为Fe。优选地,所述陶瓷增强体为碳化硅型陶瓷、氮化硅型陶瓷、氧化锆型陶瓷或者氧化铝型陶瓷中的一种或几种。碳化硅、氮化硅、氧化锆和氧化铝都是具有高硬度和高性能的陶瓷材料,以此为增强体,可以使复合材料具有高硬度和高性能。多种增强体材料混合使用可以充分发挥各材料的性能优点,使复合材料的综合性能更优。优选地,所述陶瓷增强体为球体、圆柱或棒。优选地,所述陶瓷增强体为直径范围为0.5~30mm的球体、长径比在0.1~3且直径范围1~30mm的圆柱或者直径范围1~30mm且长度范围20~200mm的棒。本专利技术还提供了一种陶瓷增强钢复合材料的制备方法,包括以下步骤:步骤一:将陶瓷增强体固定于制作好的浇注模型内;配备孪晶诱导塑性钢基体原材料并熔炼成孪晶诱导塑性钢;步骤二:向上述浇注模型内浇注步骤一中熔炼好的液态孪晶诱导塑性钢;步骤三:静态凝固冷却。优选地,所述浇注模型为砂型、金属型或消失型。优选地,所述陶瓷增强体为球体、圆柱或棒。优选地,所述浇注模型芯体为直径范围为0.5~30mm的球体、或长径比在0.1~3且直径范围1~30mm的圆柱、或者直径范围1~30mm且长度范围20~200mm的棒。本专利技术的有益效果:本专利技术的陶瓷增强钢复合材料,基体使用孪晶诱导塑性钢、增强体用陶瓷,由于孪晶诱导塑性钢的微观组织为奥氏体组织,在受到外部载荷时,奥氏体组织由于应变诱导产生机械孪晶机制产生大的无颈缩延伸,具有更高的强度、韧性和塑性,延伸率可以达到30~90%,综合性能优于目前常见的钢种。因此,本专利技术的陶瓷增强钢复合材料铸态抗弯曲强度600~900MPa,可以克服铝镁基复合材料强度不足、塑性差以及使用温度有限等缺陷。另外,本专利技术采用外加高硬度和高性能的陶瓷材料做为增强体,增强体的尺寸可以根据需要加大或减小,增强体的形状可以根据需要进行不同的设计,增强体的数量和排列方式也可以根据需要进行调整,这样使得复合材料的力学性能得到优化,本专利技术的陶瓷增强钢复合材料可以广泛适用于多种耐磨场合,有效提高材料的耐磨损能力。本专利技术的陶瓷增强钢复合材料的制备方法生产工序简单、对设备要求低、生产成本低,易于推广。附图说明图1为本专利技术的陶瓷增强钢复合材料截面结构示意图。图2是实施例1所制备的陶瓷增强钢复合材料的工业CT无损检测图。图3是实施例1所制备的陶瓷增强钢复合材料SEM断口形貌图。图4是实施例1所制备的陶瓷增强钢复合材料抗弯曲线,其中横坐标表示压头位移大小,纵坐标表示应力大小。图中,1-陶瓷增强钢复合材料;2-孪晶诱导塑性钢基体;3-陶瓷增强体具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做详细说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本专利技术,但并不构成对本专利技术的限定。此外,下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。另外以下仅为本专利技术的部分实施例,而不是全部实施例,基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。实施例1:步骤一:制作砂型浇注模型,并将碳化硅陶瓷棒做为增强体固定于上述砂型浇注模型内;准备孪晶诱导塑性钢基体原材料C、Mn、Si、Al和Fe熔炼成孪晶诱导塑性钢,该孪晶诱导塑性钢中各成份质量占比为:0.4%C、20.5%Mn、0.80%Si、0.05Al%,其余为Fe。步骤二:向上述浇注模型内浇注步骤一中熔炼好的液态孪晶诱导塑性钢;步骤三:静态凝固冷却。即制得以碳化硅陶瓷棒为增强体的孪晶诱导塑性钢基复合材料。本实施例所制得的陶瓷增强孪晶诱导塑性钢基复合材料的截面结构如图1所示,孪晶诱导塑性钢基体2和陶瓷增强体3复合而成陶瓷增强钢复合材料1。图2为本实施例所备陶瓷增强钢复合材料工业CT无损检测图。图3是本实施例所制备的陶瓷增强钢复合材料SEM断口形貌图。从图2和图3可以看出,孪晶诱导塑性钢基体2和陶瓷增强体3结合良好。本实施例制得的陶瓷增强钢复合材料按GB/T232进行测试,抗弯实验在万能拉伸试验机上进行。抗弯试样截面为正方形,其边长为陶瓷增强体直径的2.5倍,陶瓷增强体在复合材料正方形中心,抗弯试样长度大于陶瓷增强体长度,测试曲线如图4所示,铸态抗弯曲强度达到800MPa。实施例2:采用和实施例1相同的步骤制作陶瓷增强钢复合材料,所不同之处在于:1、使用浇注模型为金属型,陶瓷增强体为的氧化锆陶瓷棒。2、孪晶诱导塑性钢基体中各成份质量占比为:0.4%C、5%Mn、0.05%Si、0.05Al%,其余为Fe。使用和实施例1相同的方法进行测试,测得制备的陶瓷增强钢复合材料铸态抗弯曲强度达到780MPa。实施例3:采用和实施例1相同的步骤制作陶瓷增强钢复合材料,所不同之处在于:1、使用浇注模型为消失型,陶瓷增强体为的氮化硅陶瓷棒。2、孪晶诱导塑性钢基体中各成份质量占比为:2.0%C、35.0%Mn、0.80%Si、1.0Al%,其余为Fe。使用和实施例1本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种陶瓷增强钢复合材料,其特征在于,所述复合材料基体为孪晶诱导塑性钢,所用增强体为陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷增强钢复合材料,其特征在于,所述复合材料基体为孪晶诱导塑性钢,所用增强体为陶瓷。2.如权利要求1所述的陶瓷增强钢复合材料,其特征在于,所述孪晶诱导塑性钢基体成份质量比为0.4~2.0%C、5~35%Mn、0.05~4%Si、0.05~6%Al,余量为Fe。3.如权利要求1所述的陶瓷增强钢复合材料,其特征在于,所述陶瓷增强体为碳化硅型陶瓷、氮化硅型陶瓷、氧化锆型陶瓷或者氧化铝型陶瓷中的一种或几种。4.如权利要求1至3之一所述的陶瓷增强钢复合材料,其特征在于,所述陶瓷增强体为球体、圆柱或棒。5.如权利要求4所述的陶瓷增强钢复合材料,其特征在于,所述陶瓷增强体为直径范围为0.5~30mm的球体、长径比在0.1~3且直径范围1~30mm的圆柱或者直径范围1~30mm且长度范围20~...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙国进李明科苏光冯振邓想
申请(专利权)人:河南工学院
类型:发明
国别省市:河南,41

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