一种耐磨复合材料的合成工艺的制作方法

本发明涉及复合金属技术领域，尤其是一种耐磨复合材料的合成工艺。

背景技术：

在表面挖掘工具和工业设备领域耐磨材料连续使用寿命是设计的重要经济指标，耐磨材料工作环境影响着耐磨材料的使用寿命，一般环境会产生磨损、冲击、温度变化、震动、腐蚀等所有这些因素综合起来会降低工件的使用寿命。由于设备损坏的停工，更换部件会引发多种方案和多种原材料的消耗来解决磨损问题。高铬白口铁、碳化钨复合材料、钴合金、镍合金能够适用于严重磨损环境，但这些材质都属于硬质合金，总体来讲这些材料虽然具有不错的或者说很好的耐磨性能，但是这些材料的操作十分困难，在实际运用中不能进行焊接，这些材料也很脆，如果使用螺栓等紧固件连接方式，当有受到大冲击力时，这些件都容易断裂。最佳解决方案就是形成复合产品，采用传统的生产工艺来生产复合材料具有以下局限性：耐磨材料的局限性、焊接材料的厚度局限性、真空钎焊工艺需要很相近的机加工公差、真空钎焊技术产品尺寸的局限性、真空钎焊技术耐磨材料和基体热膨胀不一样限制了成品的尺寸、复杂形状的限制和

生产过程中耐磨材料开裂等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种耐磨复合材料的合成工艺以解决上述问题，本发明所采取的技术方案为：第一种材料和第二种材料接触，第一种材料的熔化温度要比第二种材料保持固化状体的温度低，把第一种和第二种材料在大气压下进行加热到第一种材料熔化温度以上，保持这个温度一段时间，确保第一种材料的部分熔化材料融到第二种材料中。

本发明工艺包括如下步骤：

（一）、基体材料制作：采用铸造方式，浇铸组分为碳1%-4.5%，铬7%-32%，

锰1%-5%，镍0.5%-6%，硅0.3%-4%，钒、钛、铌、钼、锡、钨及铜的组合组分低于30wt%；

（二）、基材材料制作：碳4%、铬9%、锰1.6%、镍1%、硅1%；

（三）、基底钢模制作：采用铸造或焊接加工方式，用0.2%碳钢与1%工具钢制成；

（四）、清洗与干燥：基体与基材通过高压水清洗与干燥后，或轻度喷砂去除所有氧化与表面的氧化皮后，为下一步工序准备；

（五）、基体与基材结合：将基材与基体，放置于可调节大气组分与压力的炉中，或使用真空炉，真空炉被抽成真空并注入高纯度氮气，将氧气从腔室中排出，真空炉内充满氮气局压至208mbar。

（六）、热处理程序：根据基材的液相温度而设置的热处理程序运行并保持所需时间，加热到1250℃至1300℃，保温60min，然后冷却至700℃，原子与晶体的增长通过加热与冷却速率来控制；

（七）、评定结合面：将基材与基体的复合产品成品从炉子中取出，空冷至室温，将复合产品成品剖开测试评定结合面，结合界面0.2%-1%组分的易耗钢模基底，冶金组织的界面尺寸为10微米，临近界面在热处理中融化，存在硬质合金损耗区，此硬质合金组织由冷却速率与材质组分来控制。

基底钢模涂有耐火物质涂层并可循环使用；耐火物质涂层为高岭土基涂料或镁基涂料或高岭土基涂料与镁基涂料的混合；至少有一些基材是由比基材更耐磨的材料来代替，代替基材的材料为含钛、钨、铬、钼、钽、的碳化物、硼化物和氮化物；代替集采的材料为陶瓷。

本发明的有益效果：本发明工艺设计合理实用，操作方便快捷，解决了磨损问题，延长了使用寿命，节能环保，安全可靠，提高了企业经济效率和经济效益，适合普遍推广使用。

附图说明

图1为本发明基体合金系相示意图；

图2为本发明钢模生产的典型温度与压力曲线图；

图3为本发明陶瓷涂层模具生产的典型温度与压力曲线；

图4为本发明温度及时间与可接受产品质量之间的关系图。

具体实施方式

实施例1：

首先，基材采用传统铸造方式，浇铸组分为碳4%、铬9%、锰1.6%、镍1%、硅1%。这些材质浇入到铸造使用的模具中为下一步提供基底材质。基材的液相温度由热分析测定，并通过合金系相图（见图1）交叉检查，液相线所示为材料从奥氏体或M7C3到液体的转变。

基体与基材一样，采用传统的铸造或焊接加工方式。基底钢模以0.2%碳钢与1%工具钢制成，基体与基材通过高压水清洗与干燥后，或者轻度喷砂去除所有氧化与表面的氧化皮后，为下一步工序准备。

正确计算基材需要的质量，通过统计基体的容积，及基材的密度计算生产所需要的基材重量。

准备的基体和基材，放置于可调节大气组分与压力的炉中，或使用用真空炉。真空炉被抽成真空并注入惰性气体（如高纯度氮气）将氧气从腔室中排出。真空炉内充满氮气局压至208mbar。更大的真空并不会提高结合质量，反而由于许多成分的气化而产生蜂窝状结构。在高压下，发现粘合质量由于相互反应而降低。然后根据基材的液相温度而设置预定的热处理程序运行并保持所需时间以获得令人满意的产品。

具体步骤如下：

（a） 加热到1250℃至1300℃；

（b） 保温60min；

（c） 冷却至700℃。请注意原子与晶体的增长可通过加热与冷却速率来控制。

热处理程序完成后，打开炉子。在最终工序完成前，可以将已经再融基材的复合产品从炉子中取出，空冷至室温。

之后将成品剖开并且测试评定结合面，测试结果的光学显微结构，结合面完全融合。复合产品由基材，即低熔点的耐磨白口铁，结合界面，大约0.2-1%组分的易耗钢模基底。冶金组织的界面尺寸为10微米。临近界面在热处理中融化；存在硬质合金损耗区，此硬质合金组织可由冷却速率与材质组分来控制。

基材合金由含共晶碳化铬的奥氏体组成。结合层包括结合区和硬质合金损耗区组成。由于在这些区域共晶碳化铬的缺失使得硬质合金损耗区组织形态发生改变，可以看到在合金与基体之间，由于基体合金向基材发生迁移，使得基体基本无气孔现象。成品尺寸精度测量，发现复合产品没有明显的尺寸变化。

图2所示为温度与压力曲线，周期基于基材的液相温度与时间。

钢模或模具为可循环使用的，准备好模具并使用耐火物质涂层，基材或再融锭块填充入模具或基底中，产生耐磨件，当基材融化后，会填充模具并且与基体密切接触，以便与基体融合与部分融合。为使模子不会融入基材，需要对模子使用涂层。为使钢模作为非易耗品使用，在使用模具前采用合适的防护涂层。经过对市面上可行的铸造用耐火涂料进行一系列的试验，最好试验结果的获得是两种涂层的使用，包含高岭土型陶瓷涂料与镁基涂料（见图3）。

具体操作如下：

1. 钢模首先高压水清洗与干燥，或者轻度喷砂除去之前使用残存的陶瓷涂料与氧化皮；

2. 允许采用喷涂、流涂、浸涂等方式应用悬浮高岭土底漆涂料；

3. 通过刷涂至少两层薄的高岭土耐火涂料来获得最佳结果；

4. 确保继续刷涂前的涂料完全干燥；

5. 外涂层镁基耐火涂料的应用可通过喷涂或流涂或浸涂等方式进行；仅使用单层镁基涂料，标准涂料采用酒精稀释；

6. 在模具使用之前最终刷涂要完全干燥。

仅使用高岭土基耐火涂料不足以防止融合合金和钢模粘附到一起。

单一刷涂镁基耐火涂料不足以防止融合合金结合至钢模。

同时对其他不同类型涂料进行单独或组合试验，上述应用方法是最有效地刷涂方式。

已进行一系列的试验测试基材高于液相温度与可变时间，试验结果在图4中体现。从图4中可以看出保温时间与高于基材的液相温度有关，并且对最终产品的质量有着重要的影响。

基材合金的液相温度由制造时基材的热学分析详图决定。实施例中基材的液相线温度为1190-1200℃。 一旦基材的液相温度确定，即达到超出液相线温度与所需温度的时间后，热处理过程就确立。

试验中发现如果热处理过程中的最大温度不够高，基体的浸润层不符合要求，并会产生一系列的问题：合金气孔，结合不足，不完全的融化与表面质量。其他遇到的问题为非消耗模具与基体的不完全填充。

超出液相线的温度与保温时间成反比，热处理时温度超出液相线越高，所需保温时间越短。然而，热处理过程中的最高中作温度受到基材的固相温度限制。如果工作温度太高，基体、模具、基材将不会有足够的强度维持融化的基材及本身的形状。