一种多级复合金属陶瓷、其制备方法及盾构刀具技术

本发明专利技术提供了一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相层硬度最高；所述耐磨相包括AlMgB14‑Ni3Al‑SiC合金。本发明专利技术以AlMgB14‑Ni3Al‑SiC合金作为超硬耐磨相，被过渡相包围在中间，形成超硬复合金属陶瓷团粒，将该复合硬质合团粒均匀分布在增韧基体相中，得到具有特殊结构的多级复合金属陶瓷，本发明专利技术中的多级复合金属陶瓷同时具有较高的耐磨性和较高的断裂韧性，本发明专利技术还提供了一种多级复合金属陶瓷的制备方法和一种盾构刀具。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于冶金加工
，尤其涉及一种多级复合金属陶瓷、其制备方法及盾构刀具。
技术介绍
在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机，用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。对于盾构机来说，掘削系统对于盾构机的施工效果有着决定性的影响，掘削系统包括掘削刀盘及其驱动系统，掘削刀盘为能够转动或摇动的盘状掘削器，由盾构刀具、面板、出土槽口、驱动机构和轴承机构等构成。其中，盾构刀具作为开挖地层的直接作用部件，其性能直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。盾构刀具通常由金属陶瓷制成，与金属陶瓷在金属机加工领域的应用相比，金属陶瓷在盾构领域的应用中通常要经受高磨损和高冲击震动并存的工作条件，其失效机理包括磨粒磨损，冲蚀磨损，热疲劳裂纹，应力、冲击疲劳裂纹，以及由这些裂纹所引发的断裂等，因此，用于盾构刀具的金属陶瓷需同时具备高的耐磨性和高的断裂韧性。目前盾构领域的金属陶瓷主要是粗晶粒的均匀结构的传统金属陶瓷，其WC晶粒大于10μm，虽然断裂韧性较高，但耐磨性非常低，成为凿岩刀具寿命短的根本原因。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多级复合金属陶瓷、其制备方法及盾构刀具，本专利技术中的多级复合金属陶瓷同时具有高的耐磨性和较高的断裂韧性。本专利技术提供一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内部的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相层硬度最高；所述耐磨相包括AlMgB14-Ni3Al-SiC合金。优选的，所述过渡相包括WC-Co合金。优选的，所述基体相包括WC-Co合金、纯Co基、纯Ni基、Ni基增韧基体相、Ni3Al、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金、铝基合金和增强复合材料中的一种或几种。优选的，所述团粒总体在所述多级复合金属陶瓷中的体积分数为32～90％。优选的，所述耐磨相在所述团粒中的体积分数为60～98％。优选的，所述团粒的粒径为10～1000μm。优选的，所述耐磨相的粒径为2～996μm；所述过渡相的厚度为2～50μm。本专利技术一种多级复合金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：A)在耐磨相外层包覆n层过渡相，得到团粒，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相层硬度最高；所述耐磨相包括AlMgB14-Ni3Al-SiC合金；B)将团粒与基体相混合，进行烧结，得到多级复合金属陶瓷，其中，若干团粒分布于基体相内部。优选的，所述烧结的温度为600～1600℃；所述烧结中的保温时间为0.02～3小时。本专利技术还提供一种盾构刀具，包括上述多级复合金属陶瓷。本专利技术提供了一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述耐磨相包括AlMgB14-Ni3Al-SiC合金。所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相硬度最高；所述过渡相的硬度小于耐磨相的硬度大于基体相的硬度。本专利技术以AlMgB14-Ni3Al-SiC合金作为超硬耐磨相，被过渡相包围在中间，形成超硬复合金属陶瓷团粒，将该复合金属陶瓷团粒均匀分布在
增韧基体相中，得到具有特殊结构的多级复合金属陶瓷，本专利技术中的多级复合金属陶瓷同时具有较高的耐磨性和较高的断裂韧性，实验结果表明，本专利技术中的多级复合金属陶瓷的硬度为9～20GPa，断裂韧性为8～20MPa·m1/2。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术中多级复合金属陶瓷的结构示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相硬度最高；所述耐磨相包括AlMgB14-Ni3Al-SiC合金。本专利技术中的多级复合金属陶瓷同时具有较高的耐磨性和较高的断裂韧性。本专利技术以硬度较低而韧性较高的金属陶瓷作为基体相，所述基体相的材质优选包括WC-Co合金、纯Co基、纯Ni基、Ni基增韧基体相、Ni3Al、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金、铝基合金增强复合材料中的一种或几种；所述增强复合材料优选为以WC-Co合金、纯Co基、纯Ni基、Ni基增韧基体相、Ni3Al、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金和铝基合金为基体的陶瓷颗粒、晶须和纤维增强的复合材料。所述基体相在多级复合金属陶瓷中的体积分数优选为10～68％，更优选为15～60％，最优选为20～55％。在本专利技术中，所述WC-Co合金中Co的含量较高，Co的质量分数优选为25～85％，更优选为35～75％，最优选为45～70％，余量为WC，这使得增韧基体相中WC晶粒的平均自由程得到明显提高，保证了多级复合金属陶瓷的高韧性。在本专利技术中，耐磨相外表面包覆n层过渡相，n≥1，形成团粒，所述团粒均匀分布在基体相中，如图1所示，图1为本专利技术中多级复合金属陶瓷的结构示意图，其中，1为耐磨相，2为过渡相，3为基体相，1和2形成的球形粉体为团粒。在本专利技术中，所述团粒优选为球形，所述团粒的粒径优选为10～1000μm，更优选为20～800μm，最优选为100～180μm，具体的，在本专利技术的实施例中，可以是100μm。所述团粒在多级复合金属陶瓷中的体积分数优选为32～90％，更优选为40～80％，最优选为60～75％，具体的，在本专利技术的实施例中，可以是70％。在本专利技术中，所述过渡相能够增强基体相与超硬耐磨相之间的热、力学匹配，减小内应力，提高多级复合金属陶瓷的整体断裂韧性。在本专利技术中，可以采用1层过渡相，也可以采用多层过渡相；当采用多层过渡相时，多层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相层硬度最高，接触基体相的过渡相硬度最低，多层过渡相中接触耐磨相的第一层过渡相的硬度可以和耐磨相相同也可以不同。在本专利技术中，所述过渡相的材质优选包括WC-Co合金，其中，Co在WC-Co合金的质量分数优选为6～20％，更优选为10～15％，余量为WC。在本专利技术中，可以采用硬度逐渐增加WC-Co合金作为3层过渡相，接触耐磨相的第一层过渡相的成分可以为92wt.％WC-8wt.％Co(该层硬度最高)，中间的第二层过渡相的成分可以为85wt.％WC-15wt.％Co(该层硬度居中)，接触基体相的第三层过渡相的成分可以为70wt.％WC-30wt.％Co(该层硬度在三层过渡相中硬度最低)。在本专利技术中，所述过渡相的厚度(若为多层过渡相为多层过渡相的总厚度)优选为2～50μm，更优选为3～40μm，最优选为5～20μm；所述过渡相在多级复合金属陶瓷中的体积分数优选为2～40％，更优选为5～35％，最优选为10～30％。在本专利技术中，所述耐磨相具有较高的硬度，与过渡相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内部的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相层硬度最高；所述耐磨相包括AlMgB14‑Ni3Al‑SiC合金。

【技术特征摘要】
1.一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内部的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相层硬度最高；所述耐磨相包括AlMgB14-Ni3Al-SiC合金。2.根据权利要求1所述的多级复合金属陶瓷，其特征在于，所述过渡相包括WC-Co合金。3.根据权利要求1所述的多级复合金属陶瓷，其特征在于，所述基体相包括WC-Co合金、纯Co基、纯Ni基、Ni基增韧基体相、Ni3Al、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金、铝基合金和增强复合材料中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的多级复合金属陶瓷，其特征在于，所述团粒总体在所述多级复合金属陶瓷中的体积分数为32～90％。5.根据权利要求4所述的多级复合金属陶瓷，其特征在于，所述耐磨相在所述团粒中的体积分数为60～98％。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：邓欣，陈健，伍尚华，刘金洋，刘汝德，叶文驹，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44