本发明涉及一种钢基金属陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术：
随着现代工业发展，迫切需要能在高速度、高冲击力和高挤压力工况下，能保持长寿命工作的耐磨材料产品，单纯一种钢铁材料制备的耐磨件越来越难以满足现代工业长寿命，高效率工作的需求。因而开发新型耐磨材料，提高耐磨材料的使用寿命和降低制造成本是国内外研究和生产部门急需解决的重要课题，并具有重大的国民经济意义。提高金属材料耐磨性能十分有效的途径就是制备金属陶瓷颗粒或棒料增强金属基复合材料。然而，无论是单纯外加还是原位颗粒增强金属基复合材料，多为整体强化，都不能解决在一个零件中耐磨性与强韧性这一对难以解决的致命矛盾，即磨损部分应有高的耐磨性，基体（非磨损部位）为了承受不同的载荷和冲击力而需要高的强韧性（因有随着耐磨性能的增加）。但是在很多场合，并不要求材料整体都进行颗粒增强，如挖掘机铲齿仅需齿尖增强，齿裤部分则需具有更好的强韧性，以防止使用过程中早期断裂而失效。同样，破碎机锤头仅在锤头打击部分需要增强，保持高的硬度，而锤身则需要一定的韧性，避免锤身断裂失效。此外，整体增强复合材料成本高，在一定程度上限值了其应用范围，因此，急需开发新型梯度增强金属基复合材料。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺陷，根据本发明的第一方面，本发明的目的在于提供一种高强、高韧、高耐磨的钢基金属陶瓷复合材料。
本发明的目的是这样实现的：
一种钢基金属陶瓷复合材料，包括钢基层和金属陶瓷层，其特征在于：所述钢基层由下列组分组成：c:0.01～1.5％，cr:0.1～15％，mo≤2％，ni≤2％，mn≤30％，v≤1.0％，ti≤1.0％，余量为fe；所述金属陶瓷层包括下列组分组成：c：1.6～4.5％，cr：16～45，mo≤4.0％，ni≤4.0％，mn≤30％，cu≤5.0％，v≤3.0％，ti≤3.0％，余量为fe；所述百分比为重量百分比。
为了进一步增强上述钢基金属陶瓷复合材料的耐磨性能，根据本发明的一个实施方案，上述金属陶瓷层组分还包括钨，钨的用量由本领域普通技术人员根据耐磨件的实际情况进行调整；所述钨为碳化钨颗粒或棒料。
为了进一步增强上述钢基金属陶瓷复合材料的冲击韧性，根据本发明的一个实施方案，上述金属陶瓷层组分还加入钢筋或龙骨；所述钢筋的型号为φ5～φ100，钢筋的加入量为1～100根。
根据本发明的一个实施方案，上述钢基金属陶瓷复合材料金属陶瓷层硬度hrc为60～70度，钢基层硬度hrc为36～50度，冲击韧性ak值为40～150j/m3。
钢基层与金属陶瓷层的厚度根据实际情况需要进行确定，根据本发明的一个实施方案，钢基层厚度为1～500mm，金属陶瓷层厚度为1～1000mm。
上述钢基层和金属陶瓷层为冶金结合。
根据本发明的第二方面，本发明的目的在于提供一种上述钢基金属陶瓷复合材料的制备方法。
方案一
根据本发明的一个实施方案，上述钢基金属陶瓷复合材料的制备方法，采用如下步骤：
将上述钢基层原料和金属陶瓷层原料分别熔化，在1400～1680℃进行钢基层浇注，待钢基层钢水冷却至液固两相区时，浇注金属陶瓷层；所述金属陶瓷层浇注的温度为1380～1600℃。
发明人发现，浇注完钢基层后直接浇注金属陶瓷层，会导致钢基层与金属陶瓷层混合浇注，从而实现了整体强化，无法解决一个零件中耐磨性与强韧性的致命矛盾；同样，如果浇注钢基层时间过久，再浇注金属陶瓷层，会难以实现金属陶瓷层与钢基层的冶金结合。
根据本发明的一个实施方案，浇注钢基层与浇注金属陶瓷层的时间间隔为30秒～180分钟，该时间间隔随钢基层与金属陶瓷层厚度的增加而增加，以实现钢基层与金属陶瓷层之间的冶金结合。
方案二
根据本发明的一个实施方案，上述钢基金属陶瓷复合材料的制备方法，采用如下步骤：
将上述钢基层原料和金属陶瓷层原料分别熔化，在1380～1600℃进行金属陶瓷层浇注，待金属陶瓷层钢水冷却至液固两相区时，浇注钢基层；所述钢基层的浇注温度为1400～1680℃。
根据本发明的一个实施方案，上述钢基金属陶瓷复合材料浇注完成后，在1020℃～1080℃进行淬火热处理。
有益效果：
本发明提供了一种钢基金属陶瓷复合材料，该材料由特定成分的钢基层和金属陶瓷层浇注而成，金属陶瓷层硬度hrc为60～70度，钢基层硬度hrc为36～50度，冲击韧性ak值为40～150j/m3，延展性大于15%，抗弯强度大于800mpa，钢基层与金属陶瓷层的界面结合为冶金结合，焊接性能良好，有效解决了在同一零件中存在的高耐磨性能（高硬度），与高强、高韧的矛盾问题。本发明制备方法简单，适合工业化生产。
附图说明
图1为实施例1制备的钢基金属陶瓷复合材料示意图，1-金属陶瓷层，2-钢基层，3-结合界面，4-型砂。
实施例
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。除特殊说明外，本发明所述百分比均为重量百分比。
实施例1
钢基金属陶瓷复合材料的制备：
钢基层原料配比：c:0.45％，cr:3.5％，mo:0.15％，ni:0.33％，mn:1.2％，v:0.18％，ti:0.49％，余量为fe；金属陶瓷层配比：c：3.2％，cr：28％，mo:1.5％，ni:1.0％，mn:1.2％，cu:2.0％，v:0.33％，ti:0.55％，余量为fe。
制备工艺
将上述钢基层原料和金属陶瓷层原料分别熔化，对砂箱进行抽真空，当真空度为-0.08mpa时浇入温度为1650℃的基体钢水，钢基层厚度为300mm，待钢基层钢水冷却至液固两相区时（约30分钟），在真空度为-0.08mpa时浇入温度为1480℃的金属陶瓷液，金属陶瓷层厚度为500mm。在1050℃左右经过淬火热处理，热处理的时间根据实际情况确定。
钢基金属陶瓷复合材料示意图见图1。
制得的钢基金属陶瓷复合材料，金属陶瓷层硬度hrc为63度，钢基层硬度hrc为45度，冲击韧性ak值为120j/m3，延展性为18%，抗弯强度为950mpa，钢基层与金属陶瓷层的界面结合为冶金结合，具有良好的可焊性，用于制备挖掘机铲齿，耐磨性与冲击韧性好。
实施例2
钢基金属陶瓷复合材料的制备：
钢基层原料配比：c:0.55％，cr:6.8％，mo:0.8％，ni:1.2％，mn:12％，v:0.5％，ti:0.5％，余量为fe；金属陶瓷层配比：c：4.0％，cr：35％，mo:3.2％，ni:3％，mn:15％，cu:2.8％，v:1.5％，ti:2.0％，余量为fe。
制备工艺
将上述钢基层原料和金属陶瓷层原料分别熔化，对砂箱进行抽真空，当真空度为-0.08mpa时浇入温度为1620℃的基体钢水，钢基层厚度为200mm，待钢基层钢水冷却至液固两相区时（约25分钟），在真空度为-0.08mpa时浇入温度为1480℃的金属陶瓷液，金属陶瓷层厚度为350mm。在1020℃左右经过淬火热处理，热处理的时间根据实际情况确定。
制得的钢基金属陶瓷复合材料，金属陶瓷层硬度hrc为66度，钢基层硬度hrc为48度，冲击韧性ak值为100j/m3，延展性为15%，抗弯强度为850mpa，钢基层与金属陶瓷层的界面结合为冶金结合，具有良好的可焊性，用于制备破碎机锤头，耐磨性与冲击韧性好。
实施例3
钢基金属陶瓷复合材料的制备：
钢基层原料配比：c:0.40％，cr:6.5％，mo:0.55％，ni:0.80％，mn:12％，v:0.38％，ti:0.62％，余量为fe；金属陶瓷层配比：c：4.2％，cr：35％，mo:2.5％，ni:1.2％，mn:15％，cu:3.0％，v:0.53％，ti:0.75％，w：1.5％，余量为fe。
制备工艺
将上述钢基层原料熔化，对砂箱进行抽真空，当真空度为-0.08mpa时浇入温度为1680℃的基体钢水，钢基层厚度为500mm，待钢基层钢水冷却至液固两相区（约60分钟），在真空度为-0.08mpa时浇入温度为1520℃的金属陶瓷液，金属陶瓷层厚度为800mm。在1080℃左右经过淬火热处理，热处理的时间根据实际情况确定。
制得的钢基金属陶瓷复合材料，金属陶瓷层硬度hrc为69度，钢基层硬度hrc为38度，冲击韧性ak值为150j/m3，延展性为25%，抗弯强度为1050mpa，钢基层与金属陶瓷层的界面结合为冶金结合，具有良好的可焊性，用于制备挖掘机铲齿，耐磨性与冲击韧性好。
实施例4
钢基金属陶瓷复合材料的制备：
钢基层原料配比：c:0.50％，cr:4.8％，mo:0.6％，ni:1.0％，mn:2.5％，v:0.35％，ti:0.25％，余量为fe；金属陶瓷层配比：c：4.0％，cr：45％，mo:3.5％，ni:1.8％，mn:5.5％，cu:2.8％，v:0.75％，ti:0.88％，余量为fe。
制备工艺
将上述钢基层原料熔化，对砂箱进行抽真空，当真空度为-0.08mpa时浇入温度为1620℃的基体钢水，钢基层厚度为500mm。将上述金属陶瓷层原料熔化，加入适量去水分的碳化钨熔化，待钢基层钢水冷却至液固两相区时（约180分钟），在真空度为-0.08mpa时浇入温度为1480℃的金属陶瓷液，浇注时加入去氧化层、去水分过后的钢筋（φ10）5根，以增强金属陶瓷的韧性，其中金属陶瓷层厚度为1000mm。在1050℃左右经过淬火热处理，热处理的时间根据实际情况确定。
制得的钢基金属陶瓷复合材料，金属陶瓷层硬度hrc为68度，钢基层硬度hrc为50度，冲击韧性ak值为90j/m3，延展性为16%，抗弯强度为1020mpa，钢基层与金属陶瓷层的界面结合为冶金结合，具有良好的可焊性，用于制备破碎机锤头，耐磨性与冲击韧性好。
实施例5
钢基金属陶瓷复合材料的制备：
钢基层原料配比：c:0.45％，cr:6.8％，mo:0.5％，ni:0.7％，mn:1.5％，v:0.45％，ti:0.65％，余量为fe；金属陶瓷层配比：c：4.5％，cr：32％，mo:3.2％，ni:1.2％，mn:8.5％，cu:2.5％，v:0.65％，ti:0.18％，余量为fe。
制备工艺
将上述金属陶瓷层原料熔化，对砂箱进行抽真空，当真空度为-0.08mpa时浇入温度为1480℃的金属陶瓷液，浇注时加入去氧化层、去水分过后的钢筋（φ5）3根，以增强金属陶瓷的韧性，其中金属陶瓷层厚度为900mm。待金属陶瓷钢水冷却至液固两相区时（约180分钟），在真空度为-0.08mpa时浇入温度1620℃的基体钢水，钢基层厚度为480mm。在1050℃左右经过淬火热处理，热处理的时间根据实际情况确定。
制得的钢基金属陶瓷复合材料，金属陶瓷层硬度hrc为70度，钢基层硬度hrc为45度，冲击韧性ak值为105j/m3，延展性为16%，抗弯强度为920mpa，钢基层与金属陶瓷层的界面结合为冶金结合，具有良好的可焊性，用于制备破碎机锤头，耐磨性与冲击韧性好。