本发明涉及一种合金材料领域，具体地，涉及一种合金复合体，以及该合金复合体的制备方法和应用。
背景技术：
铁路线路养护清筛车用GYKJ-RM80型扒齿链是铁路线路清筛过程中使用的主要部件和易损部件。现在国内铁路线路养护清筛车用扒齿链普遍采用的是低成本的ZG45的母材锻造成品(母材不含任何耐磨及增强韧性的合金元素)。其缺点是不耐磨、易断裂、其扒齿链的使用寿命较短。面对国内铁路线路养护清筛车用扒齿链使用寿命短、成本高、效率低、工人劳动强度大等现状，急需开发出一种耐磨损的硬质合金复合体。
技术实现要素：
本发明的目的是克服技术的上述不足，提供一种合金复合体以及该合金复合体的制备方法和应用。本发明的合金复合体的硬度高、耐磨损、使用寿命长，特别适合用在铁路线路养护清筛车的扒齿链上。
本发明提供了一种合金复合体，其中，该合金复合体包括钢板层、金属粘结剂层和纳米硬质合金材料层，所述钢板层通过金属粘结剂层与所述纳米硬质合金材料层相结合，所述纳米硬质合金材料层含有粗颗粒碳化钨、纳米颗粒碳化钨和钴，以所述纳米硬质合金材料层的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为40-65重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为20-45重量％，所述钴的含量为5-40重量％。
本发明还提供了一种制造上述合金复合体的方法，其中，该方法包括：将钢板层、金属粘结剂层和纳米硬质合金材料层依次叠合压实得到压实板，然后对所述压实板进行热熔焊接，以使得所述金属粘结剂层熔化从而使所述钢板层和所述纳米硬质合金材料层结合在一起。
本发明另外提供了本发明的合金复合体在铁路线路养护清筛车的扒齿链上的应用。
本发明的发明人发现，通过将特定的纳米硬质合金材料粘结在钢板的表层，可以得到机械强度、硬度和耐磨性均十分优异的合金复合体，当用于铁路线路养护清筛车的扒齿链，可以显著地提高扒齿头的硬度、机械强度和使用寿命。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种合金复合体，其中，该合金复合体包括钢板层、金属粘结剂层和纳米硬质合金材料层，所述钢板层通过金属粘结剂层与所述纳米硬质合金材料层相结合，所述纳米硬质合金材料层含有粗颗粒碳化钨、纳米颗粒碳化钨和钴，以所述纳米硬质合金材料层的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为40-65重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为20-45重量％，所述钴的含量为5-40重量％。
为了进一步提高所述纳米硬质合金材料层的耐磨性和抗冲击韧性，优选情况下，以所述纳米硬质合金材料层的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为50-60重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为30-40重量％，所述钴的含量为10-15重量％。
在本发明中，所述粗颗粒碳化钨的晶粒度和纳米颗粒碳化钨的晶粒度对所述纳米硬质合金材料的各项性能的影响较为显著,为了进一步提高所述纳米硬质合金组织的致密性和均匀性，从而进一步提高纳米硬质合金材料层的耐磨性和抗冲击韧性，本发明的所述粗颗粒碳化钨的晶粒度可以为1.8-5.5μm，优选为2.5-3.5μm；所述纳米颗粒碳化钨的晶粒度可以为0.1-0.4μm，优选为0.2-0.3μm。
在本发明中，所述钢板所用的钢材的型号和其中各元素的含量没有明确的限定，在优选的情况下，以所述钢板层的总重量为基准，该钢板层中C的含量为1-1.4重量％，Mn的含量为16-19重量％，Cr的含量为2-3重量％，Mo的含量为0.2-0.5重量％，Si的含量≤0.5重量％，P的含量≤0.07重量％，Fe的含量为75.53-80.8重量％；更优选地，以所述钢板层的总重量为基准，该钢板层中C的含量为1.2-1.3重量％，Mn的含量为17-18重量％，Cr的含量为2.4-2.6重量％，Mo的含量为0.3-0.4重量％，Si的含量≤0.3重量％，P的含量≤0.05重量％，Fe的含量为77.35-79.1重量％。
在本发明中，优选地，所用钢板层所用的钢材的类型为超高锰钢，例如为型号为ZGMn18的超高锰钢。
在本发明中，所述纳米硬质合金材料层的厚度可以为1-5mm，优选为2-4mm，该厚度的纳米硬质合金材料层可以适用于各种厚度的钢板层，所述钢板层的厚度可以根据实际需要确定，例如可以为0.5-5cm。
在本发明中，所述金属粘结剂层中的金属粘结剂的种类没有特别的限定，可以为各种熔点较低的能够在高温下熔化从而将金属粘结在一起的金属粘结剂，例如为铜。所述金属粘结剂可以以金属薄片的形式使用，也可以以金属粉末的形式使用。在本发明中，例如可以使用厚度为0.3-0.6mm的铜薄片。
在本发明中，所述纳米硬质合金材料层通过将纳米硬质合金材料进行烧结而得到，其中，所述纳米硬质合金材料含有粗颗粒碳化钨、纳米颗粒碳化钨和钴粉。所述将纳米硬质合金材料进行烧结的过程没有特别的限定，例如可以包括以下步骤：
(1)将粗颗粒碳化钨、纳米颗粒碳化钨、钴粉和成型剂橡胶进行混合，然后进行机械加压成型处理，得到成型的坯料；
(2)在真空环境下，将所述成型的坯料进行烧结处理；
根据本发明，在步骤(2)中，对所述烧结处理的条件没有具体限定，优选情况下，所述烧结处理的条件包括：温度为1400-1500℃，优选为1430-1440℃；真空度为300-600Pa，优选为350-650Pa，更优选为350-450Pa；时间为8-11小时，优选为9-10小时。
在本发明中，所述钴粉可以在烧结时熔化从而将粗颗粒碳化钨和纳米颗粒碳化钨粘结成型，因此所述钴粉的晶粒度没有特别的限定，例如可以为3.5-6.5μm，优选为4-5μm。
在本发明中，所述成形剂橡胶用于将所述粗颗粒碳化钨、纳米颗粒碳化钨和钴粉粘结使其在机械加压过程中可以成型，相对于100重量份的所述粗颗粒碳化钨，所述成形剂橡胶的含量可以为15-37.5重量份，优选为20-32重量份。所述成形剂橡胶可以为本领域常规使用的用于形成纳米硬质合金的成形剂橡胶，优选情况下，所述成形剂橡胶选自丁钠橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物热塑性弹性体(SBS)橡胶和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物热塑性弹性体(SIS)橡胶中的至少一种。
在本发明中，所述纳米合金材料层的制备方法相对于现有技术的主要改进在于提供了本发明的上述含量的粗颗粒碳化钨、纳米颗粒碳化钨和钴，优选地，还提供了具有上述晶粒度的粗颗粒碳化钨和纳米颗粒碳化钨，因此，所述纳米硬质合金制备方法的具体工艺条件和操作步骤均可按照现有技术进行。例如，根据本发明的一种优选实施方式，具体地，所述硬质纳米合金材料层的制备方法包括：将100重量份的晶粒度为1.8-5.5μm的粗颗粒碳化钨、46-87.5重量份的晶粒度为0.1-0.4μm的纳米颗粒碳化钨、8.5-25重量份的晶粒度为3.5-6.5μm的钴粉以及15-37.5重量份的成型剂橡胶进行混合，然后进行机械加压成型处理，得到成型坯料；在真空度为350-600Pa的真空环境下，将所述成型的坯料在温度为1400-1500℃条件下进行烧结处理8-11小时。更优选地，所述硬质纳米合金的制备方法包括：将100重量份的晶粒度为2.5-3.5μm的粗颗粒碳化钨、52-64重量份的晶粒度为0.2-0.3μm的纳米颗粒碳化钨、15-20重量份的晶粒度为4-5μm的钴粉以及20-32重量份的成型剂橡胶进行混合，然后进行机械加压成型处理，得到成型坯料；在真空度为350-450Pa的真空环境下，将所述成型的坯料在温度为1430-1440℃条件下进行烧结处理9-10小时。
本发明还提供了一种制造上述合金复合体的方法，其中，该方法包括：将钢板层、金属粘结剂层和纳米硬质合金材料层依次叠合压实得到压实板，然后对所述压实板进行热熔焊接，以使得所述金属粘结剂层熔化从而使所述钢板层和所述纳米硬质合金材料层结合在一起。
在本发明中，所述金属粘结剂层的用量没有特别的限定，根据本领域常规的用量即可，例如在焊接前的金属粘结剂层的厚度可以为0.3-0.6mm。
在本发明的制造工艺中，所述热熔焊接工艺可以使用本领域常规的工艺，例如，所述热熔焊接的温度可以为1100-1300℃，优选为1100-1200℃。
在本发明中，所述热熔焊接工艺优选为高频钎焊热熔焊接工艺，可以使用高频钎焊机进行。具体的工艺参数和操作方法可以为本领域常规的，在此不再赘述。
本发明另外提供了本发明的合金复合体在铁路线路养护清筛车的扒齿链上的应用。本发明的合金复合体的硬度和耐磨性均十分优异，当用于铁路线路养护清筛车的扒齿链，可以显著地提高扒齿头的硬度、机械强度和使用寿命。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例和对比例中，粗颗粒碳化钨、纳米颗粒碳化钨以及钴粉均购自章源钨业公司。
制备例1
将100重量份的晶粒度为3μm的粗颗粒碳化钨、58重量份的晶粒度为0.25μm的纳米颗粒碳化钨、18重量份的晶粒度为4.5μm的钴粉和25重量份的丁苯橡胶进行混合，然后进行机械加压成型处理得到成型坯料；在真空度约为400Pa的真空环境下，将所述成型的坯料1435℃的温度下进行烧结处理9.5小时，得到纳米硬质合金J1。
经过计算，以所得纳米硬质合金J1的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为57重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为33重量％，所述钴的含量为10重量％。
制备例2
将100重量份的晶粒度为2.5μm的粗颗粒碳化钨、64重量份的晶粒度为0.20μm的纳米颗粒碳化钨、15重量份的晶粒度为4.0的钴粉和20重量份的顺丁橡胶进行混合，然后进行机械加压成型处理，得到成型坯料；在真空度约为410Pa的真空环境下，将所述成型的坯料1430℃的温度下进行烧结处理10小时，得到纳米硬质合金J2。
经过计算，以所得纳米硬质合金J2的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为56重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为36重量％，所述钴的含量为8重量％。
制备例3
将100重量份的晶粒度为3.5μm的粗颗粒碳化钨、52重量份的晶粒度为0.30μm的纳米颗粒碳化钨、20重量份的晶粒度为5.0的钴粉和30重量份的丁钠橡胶进行混合，然后进行机械加压成型处理，得到成型坯料；在真空度约为430Pa的真空环境下，将所述成型的坯料1440℃的温度下进行烧结处理9小时，得到纳米硬质合金J3。
经过计算，以所得纳米硬质合金J3的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为58重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为30重量％，所述钴的含量为12重量％。
制备例4
按照实施例1的方法制备本发明的纳米硬质合金，所不同的是，纳米颗粒碳化钨的晶粒度为5.0μm，得到纳米硬质合金J4。
经过计算，以所得纳米硬质合金J4的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为57重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为33重量％，所述钴的含量为10重量％。
制备对比例1
按照制备例1的方法制备参比的纳米硬质合金，所不同的是，纳米颗粒碳化钨的用量为25重量份，得到参比纳米硬质合金DJ1。
经过计算，以所得纳米硬质合金J4的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为70重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为17重量％，所述钴的含量为13重量％。
制备对比例2
按照制备例1的方法制备参比的纳米硬质合金，所不同的是，钴粉的用量为7重量份，得到参比纳米硬质合金DJ2。
经过计算，以所得纳米硬质合金J4的总重量为基准，所述粗颗粒碳化钨的含量为61重量％，所述纳米颗粒碳化钨的含量为35重量％，所述钴的含量为4重量％。
实施例1-4
将制备例1-4所得的纳米硬质合金材料J1～J4(分别对应实施例1-4)压片成一定厚度(见表1)的纳米硬质合金材料层，分别与厚度为1cm的ZGMn18钢板层(元素成分见表1)和金属粘结剂层(厚度为0.2mm的铜薄片)按照从上到下依次为纳米硬质合金材料层、金属粘结剂层和钢板层的顺序依次叠合压实得到压实板，然后使用高频钎焊机将该压实板进行热熔焊接，使得铜薄片熔化从而使所述钢板层和所述纳米硬质合金材料层粘结在一起。热熔焊接的具体工艺参数见表1。
对比例1-2
按照实施例1-4的方法进行，所不同的是，使用对比制备1-2制备得到的纳米硬质合金材料DJ1～DJ2。
对比例3-5
按照实施例1的方法进行，所不同的是，改变工艺参数，具体见表1。
表1
测试例
将实施例1-4和对比例1-5所制得的合金复合体进行以下测试，并将结果记于表2：
1)纳米硬质合金的平均晶粒度(μm)：通过购自丹东市百特仪器有限公司型号为Bettersize的智能激光粒度仪器进行测试。
2)纳米硬质合金的密度(kg/m3)：采用用购自东莞市宏拓仪器有限公司型号为DE-120M的硬质合金密度检测仪测试。
3)合金复合体的硬度(HRA)：通过通过购自北京时代联创科技公司型号为THRS-150的洛氏硬度计仪器进行测试。
4)合金复合体的抗拉强度Rm(N/mm2)通过购自北京时代联创科技公司型号为WB-100的万能试验机进行测试。
表2
从表2可以看出，本发明的合金复合体具有优异的抗拉强度和硬度，显著好于对比例。本发明的合金复合体的硬度可以达到92HRA以上，抗拉强度可以达到980N/mm2以上，并且其中的纳米硬质合金材料的平均晶粒度可以达到3.5μm以下，密度可以达到13kg/m3以上。因此，本发明的合金复合体当用于铁路线路养护清筛车的扒齿链时，可以显著地提高扒齿头的硬度、机械强度和使用寿命。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。