[发明专利]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制备方法

说明书

本发明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的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。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，通过挤压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中陶瓷颗粒与钢铁基体间存在厚度为10～40μm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达132MPa。

技术领域

本发明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挤压铸造制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

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。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供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挤压铸造制备方法。该方法制备的复合材料界面结合强度高，成本低廉，工艺简单，生产效率高，耐磨性得到显著提升。

本发明的目的是通过以下技术方案实现。

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；

所述的高活性的微粉为氧化铝(Al₂O₃)、碳化硼(B₄C)、碳化硅(SiC)、氧化钛(TiO₂)中的一种或几种任意比例混合物，粒径为100nm～800nm；

所述的粘结剂为水玻璃、磷酸二氢铝、硅溶胶中的任意一种；

所述高活性的微粉与粘结剂的质量比为0.5～3.0；

所述混合物与陶瓷颗粒的质量比为0.04～0.3；

所述的物理吸附作用可通过机械搅拌、球磨等方法实现；

步骤二，将具有“核壳结构”的陶瓷颗粒放入型腔，将熔炼的钢铁浇入其中后进行挤压，即得所述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，界面结合形式为冶金结合；

所述熔炼钢铁的具体步骤如下：

(1)将废钢、生铁、铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、镍铁、回炉料和电解铜预热至300～400℃，保温2小时以上；