一种高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料及其制备方法

本发明涉及复合材料，尤其涉及一种高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、高铬铸铁材料具有较高的硬度和优异的耐磨性，广泛应用于需要具备高耐磨性部件的工业过程中，如采矿，运输和加工制造等领域，但是高铬铸铁的冲击韧性较差是其显著缺点。通过将高铬铸铁与韧性较好的碳钢进行冶金复合制备复合材料，能够在不改变高铬铸铁硬度和耐磨性的前提下改善其冲击韧性。现有的高铬铸铁/钢复合材料的制备方法主要有液-液复合铸造，固-液复合铸造、爆炸焊接以及铸造结合轧制等，但是上述方法目前都存在各种缺陷，如专利号为cn 111715691 a的中国发明专利申请公开了一种高铬铸铁弥散分布耐磨复合材料的制备方法，在制备过程中需要采用7~15层的多层组坯方式将碳钢板和高铬铸铁板交替叠合在一起制备复合材料，虽然这种方法提高了生产效率，缩短了生产周期，但是会导致高铬铸铁材料在碳钢中的分布不可控，同时高铬铸铁应力损伤严重；专利号cn108480398 a的中国发明专利申请公开了高铬铸铁/低碳钢板材组坯轧制的方法，通过将铸造过程与轧制过程分离，可以实现高铬铸铁/低碳钢复合板的快速制备，并且制备完成的复合板成平直板状，提高生产效率，适用于批量生产，但是这种方法依然无法有效克服高铬铸铁损伤严重的问题。

2、现有的高铬铸铁/碳钢复合材料的制备方法，主要存在高铬铸铁材料在碳钢中的分布不可控，硬脆高铬铸铁损伤严重等缺点。因此，如何提实现高铬铸铁材料在碳钢中的可控规则分布，降低硬脆高铬铸铁的应力损伤，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料及其制备方法，本发明提供的高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料实现了高铬铸铁材料在碳钢中的可控规则分布，且经过轧制后高铬铸铁的应力损伤程度低。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）在碳钢板坯上制备规则排列的圆柱形通孔，得到中间基板；

5、（2）在所述步骤（1）得到的中间基板中的圆柱形通孔内浇注高铬铸铁熔液，得到中间板坯；

6、（3）在所述步骤（2）得到的中间板坯的上下两侧分别焊接一层碳钢复板，得到复合板坯；

7、（4）将所述步骤（3）得到的复合板坯依次进行热轧和扩散热处理，得到高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料。

8、优选地，所述步骤（1）中圆柱形通孔的尺寸与碳钢板坯的尺寸满足以下关系：h/d＜2，1.5d＜e＜2d，d＜t＜1.5d，其中，h为碳钢板坯的厚度，d为圆柱形通孔的直径，e为相邻两个圆柱形通孔的中心间距，t为圆柱形通孔的中心与碳钢板坯边缘的间距。

9、优选地，所述步骤（2）中浇注前对中间基板进行预热处理，所述预热处理的温度为400~500℃，预热处理的保温时间为20~30min。

10、优选地，所述步骤（2）中浇注的温度为1400~1500℃，浇注的方式为底注式浇注。

11、优选地，所述步骤（3）中碳钢复板的厚度h和步骤（1）中碳钢板坯的厚度h的关系为：0.2h＜h＜h。

12、优选地，所述步骤（3）中焊接的方式为：将中间板坯与碳钢复板的待结合面相对放置，接着四周密封焊接后从预留的管道进行抽真空，最后将预留的管道热封。

13、优选地，所述步骤（4）中热轧的开轧温度为1150~1200℃，热轧的终轧温度≥1100℃。

14、优选地，所述步骤（4）中热轧的单道次压下量≤10%，热轧的轧制速度为0.5~2m/s。

15、优选地，所述步骤（4）中扩散热处理的温度为600~800℃，扩散热处理的保温时间为20~60min。

16、本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料。

17、本发明提供了一种高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）在碳钢板坯上制备规则排列的圆柱形通孔，得到中间基板；（2）在所述步骤（1）得到的中间基板中的圆柱形通孔内浇注高铬铸铁熔液，得到中间板坯；（3）在所述步骤（2）得到的中间板坯的上下两侧分别焊接一层碳钢复板，得到复合板坯；（4）将所述步骤（3）得到的复合板坯依次进行热轧和扩散热处理，得到高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料。

18、本发明采用高铬铸铁作为基板增强材料，高铬铸铁耐磨性优异，但是韧性较差，而碳钢材料冲击韧性较好，但是耐磨性和硬度较差，通过两者的结合，可以发挥各自的性能优势，在保持碳钢较好韧性的基础上综合提升复合材料的耐磨性能。

19、本发明通过首先在中间碳钢板预制规则排列的圆柱形通孔，然后在圆柱形通孔内浇注高铬铸铁熔液，可以实现碳钢和高铬铸铁的初步固-液复合，随后通过包覆热轧实现双金属间的进一步高质量冶金结合。

20、本发明采用圆柱形通孔可以最大程度避免凝固后的高铬铸铁在孔壁处出现应力集中的问题，使高铬铸铁内部的应力分布均匀，圆柱形孔内的高铬铸铁凝固以后，周围碳钢可以对高铬铸铁形成罐装的效果，使得高铬铸铁在后续轧制过程中处于三轴压应力状态，从而减少应力损伤；通过规则排列的圆柱形通孔，可以使高硬度高铬铸铁材料在碳钢中可控规则分布，从而对碳钢板形成了硬度和耐磨性的增强作用。

21、本发明通过焊接碳钢复板，可以使碳钢对应力较为敏感的脆性高铬铸铁材料形成了支撑和应力缓冲的作用，复合材料的上下表面形成一层碳钢层，碳钢层首先作为工作面使用，在该面磨损以后才暴露出耐磨性优异的高铬铸铁增强层，进一步发挥其耐磨作用，达到了在保持碳钢优异韧性的基础上提高复合材料整体耐磨性的目的，同时碳钢复板的存在还能够避免后续热轧时脆性高铬铸铁与轧辊的直接接触，进一步降低高铬铸铁在热变形时裂纹产生的概率。

22、本发明通过热轧处理，能够使碳钢和高铬铸铁在外力的作用下紧密地结合到一起，由于在热轧过程中硬脆高铬铸铁是在碳钢四周包覆的情况下实现的热变形，此时高铬铸铁是在三轴压应力下实现整体协调热塑性变形，有助于高铬铸铁在热变形时抑制裂纹的萌生和扩展，降低了高铬铸铁的应力损伤程度，并保证高铬铸铁材料有序规则分布，改善了直接复合出现的双金属间结合强度较低，高铬铸铁损伤严重的问题。

23、本发明通过将轧制后的板坯进行扩散热处理，一方面可以降低轧制后的内应力，另一方面可以使碳钢和高铬铸铁之间的化学成分相互扩散，从而进一步提高碳钢和高铬铸铁的结合强度。

24、实施例的结果显示，本发明提供的高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料实现了高铬铸铁材料在碳钢中的可控规则分布，且经过轧制后高铬铸铁的应力损伤程度低，同时还避免了碳钢和高铬铸铁层间结合强度较低的问题，经测试，本发明提供的高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料的冲击韧性≥8.9j/cm2，摩擦磨损实验条件下的质量损失≤6.1mg。

技术特征：

1.一种高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中圆柱形通孔的尺寸与碳钢板坯的尺寸满足以下关系：h/d＜2，1.5d＜e＜2d，d＜t＜1.5d，其中，h为碳钢板坯的厚度，d为圆柱形通孔的直径，e为相邻两个圆柱形通孔的中心间距，t为圆柱形通孔的中心与碳钢板坯边缘的间距。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中浇注前对中间基板进行预热处理，所述预热处理的温度为400~500℃，预热处理的保温时间为20~30min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中浇注的温度为1400~1500℃，浇注的方式为底注式浇注。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中碳钢复板的厚度h和步骤（1）中碳钢板坯的厚度h的关系为：0.2h＜h＜h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中焊接的方式为：将中间板坯与碳钢复板的待结合面相对放置，接着四周密封焊接后从预留的管道进行抽真空，最后将预留的管道热封。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中热轧的开轧温度为1150~1200℃，热轧的终轧温度≥1100℃。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中热轧的单道次压下量≤10%，热轧的轧制速度为0.5~2m/s。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中扩散热处理的温度为600~800℃，扩散热处理的保温时间为20~60min。

10.权利要求1~9任意一种所述制备方法制备得到的高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料。

技术总结
本发明提供了一种高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。本发明提供的高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）在碳钢板坯上制备规则排列的圆柱形通孔，得到中间基板；（2）在所述步骤（1）得到的中间基板中的圆柱形通孔内浇注高铬铸铁熔液，得到中间板坯；（3）在所述步骤（2）得到的中间板坯的上下两侧分别焊接一层碳钢复板，得到复合板坯；（4）将所述步骤（3）得到的复合板坯依次进行热轧和扩散热处理，得到高铬铸铁增强碳钢耐磨复合材料。

技术研发人员：李艳威,刘慧玲,解继红,刘刚,闫政
受保护的技术使用者：晋中学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23