技術領域

本發明涉及一種鋼鐵基復合材料、制備方法及其裝置，屬于鋼鐵基復合材料技術領域。

背景技術

陶瓷/金屬復合材料因其耐磨性好、抗氧化腐蝕能力強、比強度和比模量高、成本相對較低等優勢而常用于抗磨領域。目前，陶瓷增強金屬基復合材料中的陶瓷單元常為陶瓷顆粒、晶須、纖維、三維多孔預制體、柱狀預制體等。陶瓷顆粒、晶須、纖維增強金屬基復合材料最為常見，在穩態或低載荷作用下表現良好；但塑韌性差、抗沖擊能力弱是其致命的缺點，在載荷反復變化或較大沖擊工況下，往往呈現為脆性斷裂、增強相脫落，從而造成復合材料耐磨性難以發揮、作為工程構件使用時可靠性差。三維多孔預制體增強金屬基復合材料一定程度上提高了承載能力，但預制體制備工藝復雜而難以推廣。柱狀預制體增強金屬基復合材料是近年來制備抗沖擊耐磨材料的研究熱點，已取得初步研究成果，但仍然面臨一系列關鍵性技術難題。

CN101463182A“一種超微細壓電陶瓷陣列結構復合材料及其制備方法”中的陶瓷柱屬于微觀范疇，僅能作為功能材料使用。CN101530905A“一種破碎機復合材料錘頭及其鑄造方法”和CN101530904A“一種破碎機復合材料錘頭及其負壓鑄造方法”中的增強相僅能為成本較高的WC材料且金屬液只能滲入到粒度較大的WC顆粒內，故難以制備高體積分數的復合材料。CN102581259A“陶瓷柱陣列增強金屬基復合材料或部件及其制備方法”所述陶瓷柱狀需經過表面金屬化、陶瓷化或金屬化+陶瓷化方法的一種對其進行表面預處理，預處理過程工藝繁瑣、成本高、制備周期長。“一種局部增強金屬基復合材料的制備方法”（申請號：201110380256）通過將粒度大于50目的陶瓷顆粒和粘結劑按質量比為2～5：1混合均勻后，再將混合物附著在金屬模具內表面，固化后形成厚度為1～20mm的致密陶瓷層，得到帶有絕熱層的模具。該方法解決了鋼液等高熔點金屬凝固快的問題，但金屬模具內的陶瓷絕熱層制備需專有模具、固化需一定周期、絕熱層一次性使用后報廢，導致材料浪費而增加了成本。

發明內容

為了克服上述現有技術存在的不足，突破預制坯材質、粒度、表面預處理、微觀界面結合不良的限制，本發明提供了一種鋼鐵基復合材料、制備方法及其裝置，該鋼鐵基復合材料較其他材料相比在沖擊磨損工況下有優越的承載能力、耐磨性能。同時，本方法具有工藝簡單、生產周期短、便于機械化批量生產且本裝置“保溫杯”式絕熱復合模具可以反復多次使用等優勢。

一種鋼鐵基復合材料，包括鋼鐵基體與鋼筋式復合材料柱，所述鋼筋式復合材料柱平行排列在鋼鐵基體內，且占鋼鐵基復合材料體積的30%～75%。

所述鋼筋式復合材料柱的橫截面為四邊形、五邊形、六邊形、圓形或工字形，其截面積為7~1000mm²。

所述兩鋼筋式復合材料柱的間距為1mm以上且兩鋼筋式復合材料柱的柱間距及分布可根據性能要求進行調整。當在平緩工況下需高耐磨性時，可減小柱間距；當在沖擊磨損工況下可適當增大柱間距；且復合材料工作面的不同部位可能要求不同的耐磨性，在要求高耐磨性的地方設計柱子密集分布，其他地方設計柱子稀疏分布。

該鋼鐵基復合材料可根據用途的需要形成整體或局部復合。

本發明鋼鐵基復合材料的制備方法，具體步驟如下：

（1）首先將粘接劑混合物與粒度為20~300目陶瓷顆粒按照質量比5~6：100的比例混合均勻后壓制成鋼筋式復合材料柱后，在500~1000℃高溫下燒結1.5~2h，然后將燒結后的鋼筋式復合材料柱平行排列；

（2）將1580~1650℃高溫鋼液澆注到步驟（1）已排列好的鋼筋式復合材料柱，澆注完成后施加10~150MPa的壓力并持續2~3min，將停止加壓后的上述熔體混合物冷卻到室溫即制備得鋼鐵基復合材料，該材料包括鋼鐵基體與鋼筋式復合材料柱，且鋼筋式復合材料柱平行排列在鋼鐵基體內。

所述步驟（1）中粘接劑混合物為粘結劑與水按照質量比（5~6）：（4~10）均勻混合的混合物，粘結劑為Na₂SiO₃、PVA、H₃PO₄中的一種或幾種任意比例混合物。

所述步驟（1）中陶瓷顆粒為氧化鋁、氧化鋯、碳化鎢、碳化硅或碳化鈦。