氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料的技术领域。更具体地，本发明涉及氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料。另外，本发明还涉及该钢基材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]磨损是材料的主要破坏形式之一，其造成的经济损失相当惊人，中国每年因磨损消耗的钢材已达数百万吨。陶瓷材料具有耐热、耐磨、耐腐蚀等优良性能。陶瓷材料强化金属材料已成为研宄的热点。
[0003]现有技术中，涉及陶瓷增强的金属材料的方案有以下中国专利文献:
[0004]CN101181741A:采用工业T1-Fe粉和B4C粉作为反应物，按照一定比例混合压坯后置于铸件内，通过自蔓燃反应在金属内形成Ti2B、TiC陶瓷增强颗粒，达到强化金属的目的；
[0005]CNlOl 195888A:将T1、Cr、C粉末用上述同样的方法加入铸件中，得到了(T1、Cr)C、Cr7C3为陶瓷强化相的钢基复合材料；
[0006]CN101214541A:采用N1、Ti和B4C压块制备了 Ti2B、TiC陶瓷颗粒局部强化的锰钢；
[0007]CN102366829A:采用不同粒度的Al2O3颗粒强化提高钢的表面强度和耐磨性。采用的是在铸件表面添加Al2O3颗粒方法。由于Al 203与钢存在界面结合问题，其强化效果达不到预想的目的。
[0008]上述专利技术基本上是在铸造模型内预置可发生自蔓燃反应的压块，通过浇铸引燃反应生成Ti2B、TiC等在铸件的表面形成强化相；或是将陶瓷颗粒置于铸腔内，通过浇铸使陶瓷颗粒分布于工件的表面，以达到表面强化的目的，但不能实现材料的整体强化。并且在铸造型膜内发生自蔓燃反应，该反应不易控制，易导致放出大量气体，会导致铸件的孔洞增加，引起强度下降。
[0009]另外，上述专利技术实现强化所采用的材料为T1、Cr、B4C或规定目数的Al2O3粉末，其材料的成本较高。
【发明内容】
[0010]本发明提供氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料，其目的是以较低成本提高钢材的整体强度。
[0011]为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0012]本发明的氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料，其中，所述复合陶瓷主要包括Al2O3;还包括蓝晶石、金红石和长石；或者，还包括蓝晶石、金红石、长石、莫来石和石英；
[0013]所述复合陶瓷在钢基材料中均匀分布。
[0014]所述复合陶瓷以粉末状加入钢基材料中熔炼，其粉末粒度为I μπι?20 μπι。
[0015]按质量计算，所述钢基材料中各成分的含量分别为:
[0016]Α1203:0.5% ?8%，蓝晶石:0.3%?2%，Ti02(金红石):1.0% ?5%，长石:0.3%?2%，莫来石:0.2%?1%，石英:0.5%?2%，C:0.05%?0.3%，S ^ 0.02%,P^0.02% ;其余为 Fe。
[0017]本发明还提供以上所述氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料的制备方法，其技术方案是:
[0018]首先，将按质量比配置的钢的原料加入熔炼炉，加热；然后，将混合烘干的复合陶瓷的粉末加入熔炼炉；待陶瓷粉末及钢水完全熔化，即可浇铸出钢。
[0019]所述钢基材料采用中频炉冶炼。
[0020]所述复合陶瓷的制备工艺是:
[0021]按质量比例配置成陶瓷材料，配置好的陶瓷材料混合Ih?6h后，烘干，形成所述复合陶瓷的粉末。
[0022]所述钢的原料为废钢。
[0023]所述氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料为铸态；或者为锻造态；或者为热轧态。
[0024]本发明采用上述技术方案，其有益效果是:
[0025]1、制备本发明的复合陶瓷钢基材料所用的原料，为废钢和矿物陶瓷原料，均在市场上容易获得，价格较低，与现有的钢基复合材料相比，有效地降低了原料成本；因此，降低了高耐磨、耐蚀用钢总体生产成本；
[0026]2、采用中频炉冶炼，可将陶瓷材料充分溶入钢基体，实现材料的整体强化；材料的机械性能可以达到:屈服强度450MPa?900MPa、抗拉强度750MPa?1500MPa、断面收缩率15%?25%，延伸率25%?35%;材料的硬度为25?65HRC ;冲击功为50J?150J ;因此，本发明提供的是一种高耐磨、耐蚀的复合材料；
[0027]3、上述复合陶瓷钢基材料可以是铸态、锻造状态、热轧态；上述制备方法的操作工艺简单，生产成本低廉，易于在工业上推广应用。
【附图说明】
[0028]图1是本发明中复合陶瓷含量为18%的钢基材料金相组织显微照片；
[0029]图2是本发明中复合陶瓷含量为10%的钢基材料金相组织显微照片。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0031]本发明涉及用复合陶瓷材料增强钢的强度的技术。为了实现以较低成本整体提高钢材强度的发明目的，本发明采取的技术方案为:
[0032]本发明所述复合陶瓷，以Al2O3陶瓷为主，通过添加蓝晶石、金红石、长石、莫来石和石英等，降低Al2O3的熔点；所述钢基材料以废钢为原料，采用中频熔炼，在熔炼过程中将复合陶瓷粉加入钢熔炼炉中，形成复合陶瓷均匀分布的陶瓷一钢基复合材料，提高材料的耐磨耐蚀性能，并可实现材料的整体强化，且成本较低。
[0033]上述技术方案，1、解决了陶瓷材料低温下融化技术问题；2、解决了陶瓷比重与金属比重不等状态下，陶瓷材料悬浮性；3、以铁基为主体下陶瓷作为新钢种多元结构的结晶体；4、元晶特钢(PH钢)的耐磨性与硬度没有直接的关系；5、解决该钢种焊接、锻压、回火、淬火等加工成型技术；6、满足产品在不同工况环境下服役条件。
[0034]具体技术参数分别是:
[0035]冶炼氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料所需要的复合陶瓷为粉末状，其粉末粒度I μ m ?20 μ m。
[0036]按质量计算，所述钢基材料中各成分的含量分别为:
[0037]A1203:0.5% ?8%，蓝晶石:0.3%?2%、1102(金红石):1.0% ?5%、长石:0.3%?2%、莫来石:0.2%?1%、石英:0.5%?2%，C:0.05%?0.3%、S 彡 0.02%、P^0.02% ;其余为 Fe。
[0038]本发明还提供以上所述氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料的制备方法，其技术方案是:
[0039]首先，将按质量比配置的钢的原料加入熔炼炉，加热至500°C?700°C ;然后，将混合烘干的复合陶瓷的粉末加入熔炼炉；待陶瓷粉末及钢水完全熔化，即可浇铸出钢。陶瓷粉末及钢水完全熔化的温度为1600°C?1700°C，一般可取1650°C。
[0040]所述复合陶瓷钢基材料采用中频炉冶炼。
[0041]所述复合陶瓷的制备工艺是:
[0042]按质量比例配置成陶瓷材料，配置好的陶瓷材料混合I?6小时后，烘干，形成所述复合陶瓷的粉末。
[0043]所述钢基材料中钢的原料为废钢。
[0044]本发明主要采用国内非金属陶瓷材料等铝硅酸盐原矿石粉材，与废旧金属材料，在中频电炉加热熔炼，使材料在不同温度阶段化合分解结晶。
[0045]在中频电炉有效的温度1650°C范围内，将陶瓷材料经过融化分解结晶、再分解、再结晶的三次分解结晶的过程，形成陶瓷弥散复合结构强化相变，生成新型钢种材料一一元晶特钢(PH钢)。兀晶特钢(PH钢)具有在保证尚强度、尚硬度的同时还同时具有$父尚韦刃性、高耐磨性、高耐热性能、较好的抗腐蚀性能。
[0046]上述制备方法的工艺过程分析:
[0047]在熔炼陶瓷材料时，部分非金属材料在温度处于30(TC?80(TC阶段开始慢慢溢出液态，溢出液态开始球化陶瓷粉末，形成大小不等的小块状和球体状。溢出的液态同时具有催化金属材料特性，使其与陶瓷材料得到同步球化、融化、分解作用，达到第一次粗放结晶。初放型结晶目的是因为陶瓷材料与金属材料的比重差值，陶瓷材料产生悬浮得到有效控制。此阶段定义为初放型结晶。
[0048]随着温度上升至900°C?1350°C阶段，初始结晶得到再次分解，但不具有完整结晶。液态相非常稀薄，原始矿石粉材非金属陶瓷中杂质随钢水的运动向炉壁聚集。炉壁的凝合物随钢水温度和钢水运动慢慢进行分解。同时凝合物也具有保护炉内壁体在高温下熔炼的损害。该阶段不能有效完全分解。此阶段定义为第二次分解杂质期。
[0049]随着温度上升至1500°C?1650°C阶段，钢水温度的上升和钢水运动加速，也慢慢出现微细结晶状态；当达到1650°C额定温度时，微结晶状态在很短时间内快速分解。分解出少量杂质在钢水表面形成，清理杂质后钢水非常清澈、明亮，彻底分解完整液态体。此期间被称为相变分解结晶终结期，形成了完整弥散复合结构强化相变的稳定结晶体，称之为第三次的分解结晶。
[0050]该结晶体具有独特的性能，把金属材料高刚度、高强度等优点和陶瓷材料的高耐磨和耐蚀等优异性能有机的结合，使其产品高温区域保持较高的强度和硬度，不易产生疲劳裂纹；同时对常用酸、碱、盐等化学物质具有抗腐蚀能力。因此具有很强的结合力、很高的硬度和较好的高温化学稳定性，又具有较高耐磨性、低的摩擦系数。这就是以上所述的元晶特钢(PH钢)所具备的性能。
[0051]所述氧化铝复合陶瓷增强的钢基材料，可以是铸态、锻造态、热轧态。用废钢和廉价矿物的陶瓷制备复合陶瓷钢基材料，这种材料的制备方法是用中频感应熔炼制成铸件或铸锭；铸锭可通过锻造或轧制成型。这种材料的机械性能可以达到:
[0052]屈服强度450