本发明公开了一种陶瓷金属复合耐磨材料及其制备方法，属于耐磨材料制备技术领域。
背景技术：
随着全球耐磨产品的快速发展，耐磨已经成为衡量机械零部件性价比高低的主要因素之一。目前金属耐磨材料有锰钢板、稀土铬钼钢、碳化钨合金耐磨焊条（焊丝）、堆焊碳化钨复合耐磨板、等离子表面处理和比特克耐磨块等。然而这些耐磨材料的工艺方法都存在缺陷，无法兼顾耐磨性、耐冲击性、平整度及可焊性等一系列特性。解决传统耐磨材料存在的缺陷，进一步获取最佳的经济效益迫在眉睫。传统金属耐磨材料经历了高锰钢、镍硬铸铁、高铬铸铁和各类耐磨合金钢3个发展阶段，三代耐磨材料各有特点，至今仍在不同的工况条件下得到广泛应用。
电力、冶金、建材和化工四大主要耗煤工业的发展对煤炭的需求依然旺盛，工业制粉系统磨煤机所用耐磨件年消耗量巨大。随工业技术的进步，用户对三体磨损工况下材料的耐磨性要求越来越高。设备制造厂通过各种手段（如变质处理、表面堆焊等）不断提高了耐磨材料硬度，但材料脆性也大大增加。当前影响耐磨件寿命的主要因素并不是断裂风险的增加，而是因电煤情况普遍低于设计煤种，造成耐磨件磨损严重，缩短了检修周期，影响正常生产节奏。
因此通过多种手段不断解决耐磨材料硬度和韧性相匹配的问题，不断提高耐磨性，适应工况要求，延长使用寿命一直是磨机耐磨材料发展的核心问题。陶瓷复合金属耐磨件制作技术中常用的陶瓷颗粒有wc、tic、sic、al2o3、tin、nbc和vc等，主要工艺有以下三类：①外加颗粒铸造法；②shs铸造法原位合成颗粒；③反应铸造法原位合成颗粒。陶瓷复合金属耐磨材料在实际生产中的应用前景将十分广阔，且具有重要的经济意义和社会意义。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题是：针对传统金属耐磨材料耐磨性能和力学性能不佳的问题，提供了一种陶瓷金属复合耐磨材料及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种陶瓷金属复合耐磨材料，是由以下重量份数的原料组成：30～40份废弃陶瓷，10～20份氧化铁，10～20份铝粉，4～6份镁粉，20～30份粘结剂，20～30份琼脂液，60～80份氟化钠溶液，5～8份纳米铁粉，8～10份高锰酸钾，120～200份铸铁；
所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备步骤为：
（1）按原料组成称量各原料；
（2）将废弃陶瓷，氧化铁，铝粉，镁粉球磨混合，过筛，得混合粉末；
（3）将上述所得混合粉末，琼脂液，氟化钠溶液，纳米铁粉超声分散，减压浓缩，得浓缩浆料；
（4）将上述所得浓缩浆料，高锰酸钾，粘结剂搅拌混合，得混合浆料；
（5）将铸铁高温熔融，得铸铁金属液；
（6）将上述所得铸铁金属液和混合浆料混合，真空高温反应，浇铸到模具中，施加垂直电场极化，降温，即得陶瓷金属复合耐磨材料。
所述废弃陶瓷为碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷或氧化铝陶瓷中的任意一种。
所述粘结剂的制备过程为：按重量份数计，将10～20份水，12～15份无水碳酸钠，15～20份酚醛树脂搅拌混合，得粘结剂；所述酚醛树脂为酚醛树脂2123，酚醛树脂2130或酚醛树脂2127中的任意一种。
所述琼脂液得制备过程为：将琼脂与水按质量比1：50～1：100混合溶胀后，加热搅拌溶解，即得琼脂液。
所述铸铁为高铬铸铁，高钨铸铁或高铝铸铁中的任意一种。
步骤（6）所述真空高温反应条件为：温度为1400～1600℃，压力为0.01～0.06pa。
步骤（6）所述垂直电场强度为0.8～1.2kv/cm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过添加氧化铁，铝粉，镁粉，高锰酸钾，在制备过程中，镁粉作为引发剂，促使氧化铁和铝粉发生反应，生成氧化铝和铁，首先，生成的氧化铝填充在体系中，使体系致密度得以提升，从而提升体系的耐磨性能和力学性能，其次，高锰酸钾在高温条件下分解，生成氧气和二氧化锰，在高温条件下，生成的氧气与体系中铁发生反应，生成四氧化三铁，四氧化三铁具有强磁性，提升体系内部致密度和结合强度，使得体系的耐磨性能和力学性能进一步提高；
（2）本发明通过添加琼脂液，氟化钠溶液，纳米铁粉，在制备过程中，首先，琼脂在高温条件下炭化生成炭，其次，在高温以及氟化钠和纳米铁粉的催化作用下，生成的炭与废弃陶瓷表面的二氧化硅发生反应，生成碳化硅，生成的碳化硅覆盖于废弃陶瓷表面，一方面，生成的碳化硅，提升体系的耐磨性能和力学性能，另一方面，生成的碳化硅由于单空位和双空位的缺陷而存在带隙，使熔融的铸铁可渗透进入碳化硅中，增强碳化硅与金属基体结合界面强度，提升体系的耐磨性能和力学性能，另外，通过施加垂直电场，使得陶瓷颗粒沿电场方向被极化，而同向极化使相邻陶瓷颗粒间存在斥力，使得陶瓷颗粒均匀分散在体系中，进一步提升体系的耐磨性能和力学性能。
具体实施方式
按重量份数计，将10～20份水，12～15份无水碳酸钠，15～20份酚醛树脂置于1号烧杯中，并于转速为300～400r/min条件下，搅拌混合30～50min，得粘结剂；将琼脂与水按质量比1：50～1：100加入2号烧杯中，用玻璃棒搅拌混合20～30min后，静置溶胀3～4h，再将2号烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为95～100℃，转速为400～500r/min条件下，加热搅拌溶解40～50min，即得琼脂液；按重量份数计，依次取30～40份废弃陶瓷，10～20份氧化铁，10～20份铝粉，4～6份镁粉，20～30份粘结剂，20～30份琼脂液，60～80份质量分数为8～10%的氟化钠溶液，5～8份纳米铁粉，8～10份高锰酸钾，120～200份铸铁，将废弃陶瓷，氧化铁，铝粉，镁粉置于球磨机中，于转速为500～600r/min条件下，球磨混合后，过60～80目的筛，得混合粉末；将所得混合粉末全部加入超声分散仪中，再向超声分散仪中加入琼脂液，质量分数为8～10%的氟化钠溶液，纳米铁粉，于超声频率为50～65khz条件下，超声分散30～50min，得分散液，再将分散液置于旋转蒸发仪中，于温度为80～100℃，转速为50～80r/min，压力为400～600kpa条件下，减压浓缩20～30min，得浓缩浆料；将所得浓缩浆料全部加入混料机中，随后向混料机中加入高锰酸钾，粘结剂，于转速为1000～1200r/min条件下，高速搅拌混合30～50min，得混合浆料；将铸铁置于熔炉中，于温度为1200～1300℃条件下，高温熔融至铸铁完全融化，得铸铁金属液；将所得铸铁金属液和混合浆料置于真空高温烧结炉，于温度为1400～1600℃，压力为0.01～0.06pa条件下，真空高温反应2～3h后，得熔融反应液，并将熔融反应液浇铸到模具中，向模具施加电场强度为0.8～1.2kv/cm的垂直电场极化30～50min后，降至室温，即得陶瓷金属复合耐磨材料。所述废弃陶瓷为碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷或氧化铝陶瓷中的任意一种。所述酚醛树脂为酚醛树脂2123，酚醛树脂2130或酚醛树脂2127中的任意一种。所述铸铁为高铬铸铁，高钨铸铁或高铝铸铁中的任意一种。
实例1
按重量份数计，将20份水，15份无水碳酸钠，20份酚醛树脂置于1号烧杯中，并于转速为400r/min条件下，搅拌混合50min，得粘结剂；将琼脂与水按质量比1：100加入2号烧杯中，用玻璃棒搅拌混合30min后，静置溶胀4h，再将2号烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为100℃，转速为500r/min条件下，加热搅拌溶解50min，即得琼脂液；按重量份数计，依次取40份废弃陶瓷，20份氧化铁，20份铝粉，6份镁粉，30份粘结剂，30份琼脂液，80份质量分数为10%的氟化钠溶液，8份纳米铁粉，10份高锰酸钾，200份铸铁，将废弃陶瓷，氧化铁，铝粉，镁粉置于球磨机中，于转速为600r/min条件下，球磨混合后，过80目的筛，得混合粉末；将所得混合粉末全部加入超声分散仪中，再向超声分散仪中加入琼脂液，质量分数为10%的氟化钠溶液，纳米铁粉，于超声频率为65khz条件下，超声分散50min，得分散液，再将分散液置于旋转蒸发仪中，于温度为100℃，转速为80r/min，压力为600kpa条件下，减压浓缩30min，得浓缩浆料；将所得浓缩浆料全部加入混料机中，随后向混料机中加入高锰酸钾，粘结剂，于转速为1200r/min条件下，高速搅拌混合50min，得混合浆料；将铸铁置于熔炉中，于温度为1300℃条件下，高温熔融至铸铁完全融化，得铸铁金属液；将所得铸铁金属液和混合浆料置于真空高温烧结炉，于温度为1600℃，压力为0.06pa条件下，真空高温反应3h后，得熔融反应液，并将熔融反应液浇铸到模具中，向模具施加电场强度为1.2kv/cm的垂直电场极化50min后，降至室温，即得陶瓷金属复合耐磨材料。所述废弃陶瓷为碳化硅陶瓷。所述酚醛树脂为酚醛树脂2123。所述铸铁为高铬铸铁。
实例2
按重量份数计，将20份水，15份无水碳酸钠，20份酚醛树脂置于1号烧杯中，并于转速为400r/min条件下，搅拌混合50min，得粘结剂；将琼脂与水按质量比1：100加入2号烧杯中，用玻璃棒搅拌混合30min后，静置溶胀4h，再将2号烧杯移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为100℃，转速为500r/min条件下，加热搅拌溶解50min，即得琼脂液；按重量份数计，依次取40份废弃陶瓷，30份粘结剂，30份琼脂液，80份质量分数为10%的氟化钠溶液，8份纳米铁粉，200份铸铁，将废弃陶瓷置于球磨机中，于转速为600r/min条件下，球磨混合后，过80目的筛，得混合粉末；将所得混合粉末全部加入超声分散仪中，再向超声分散仪中加入琼脂液，质量分数为10%的氟化钠溶液，纳米铁粉，于超声频率为65khz条件下，超声分散50min，得分散液，再将分散液置于旋转蒸发仪中，于温度为100℃，转速为80r/min，压力为600kpa条件下，减压浓缩30min，得浓缩浆料；将所得浓缩浆料全部加入混料机中，随后向混料机中加入粘结剂，于转速为1200r/min条件下，高速搅拌混合50min，得混合浆料；将铸铁置于熔炉中，于温度为1300℃条件下，高温熔融至铸铁完全融化，得铸铁金属液；将所得铸铁金属液和混合浆料置于真空高温烧结炉，于温度为1600℃，压力为0.06pa条件下，真空高温反应3h后，得熔融反应液，并将熔融反应液浇铸到模具中，向模具施加电场强度为1.2kv/cm的垂直电场极化50min后，降至室温，即得陶瓷金属复合耐磨材料。所述废弃陶瓷为碳化硅陶瓷。所述酚醛树脂为酚醛树脂2123。所述铸铁为高铬铸铁。
实例3
按重量份数计，将20份水，15份无水碳酸钠，20份酚醛树脂置于1号烧杯中，并于转速为400r/min条件下，搅拌混合50min，得粘结剂；按重量份数计，依次取40份废弃陶瓷，20份氧化铁，20份铝粉，6份镁粉，30份粘结剂，10份高锰酸钾，200份铸铁，将废弃陶瓷，氧化铁，铝粉，镁粉置于球磨机中，于转速为600r/min条件下，球磨混合后，过80目的筛，得混合粉末；将所得混合粉末全部加入混料机中，随后向混料机中加入高锰酸钾，粘结剂，于转速为1200r/min条件下，高速搅拌混合50min，得混合浆料；将铸铁置于熔炉中，于温度为1300℃条件下，高温熔融至铸铁完全融化，得铸铁金属液；将所得铸铁金属液和混合浆料置于真空高温烧结炉，于温度为1600℃，压力为0.06pa条件下，真空高温反应3h后，得熔融反应液，并将熔融反应液浇铸到模具中，向模具施加电场强度为1.2kv/cm的垂直电场极化50min后，降至室温，即得陶瓷金属复合耐磨材料。所述废弃陶瓷为碳化硅陶瓷。所述酚醛树脂为酚醛树脂2123。所述铸铁为高铬铸铁。
对比例：宜兴某科技材料有限公司生产的陶瓷金属复合材料。
将实例1至3所得陶瓷金属复合材料和对比例产品进行性能检测，具体检测方法如下：
试样尺寸为76mm×25mm×12mm，采用mlg-130型干砂橡胶轮磨粒磨损试验机，试验机转速200r/min。橡胶轮为氯化丁基橡胶，硬度为邵尔硬度a60，宽度12.7mm。试验磨料选用符合gb/t2481.1规定的f60人造石英砂，磨料的供给速率300g/min，试验过程中施加在试样上的法向载荷为130n，测试环境温度22℃，相对湿度62.5%。磨损结束后，利用刀口形直尺和塞尺测量磨痕深度。
检测结果如表1所示：
表1
由表1检测结果可知，本发明所得陶瓷金属复合耐磨材料具有优异的耐磨性和力学性能。