阅读说明：本技术 一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法 (NiCrAlY high-temperature sintered ZTA particle reinforced steel-based composite material and preparation method thereof ) 是由 高义民 亦雨奇 李烨飞 李聪 李博 赵四勇 牛瑞霞 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法,将ZTA颗粒的表面微粗糙化,通过加入活性元素Y提高陶瓷涂层的热稳定,Cr,Al对O元素的吸附能力可以大大提高Ni与陶瓷颗粒的润湿性,使界面结合由简单机械结合转化为冶金结合,具有较高的结合和冲击强度,满足了高负荷状态下的工况环境,随后加入自制粘结剂定型,烘干处理获得具有蜂窝状结构的预制体,随后对蜂窝状预制体进行热处理提高其结合强度；放入砂箱中浇铸金属液,冷却后得到具有较高耐磨性的ZTA增强钢铁基复合材料。采用本发明技术制备的耐磨复合材料既具有高的抗冲击磨损性能,又保证了在苛刻工况下的服役安全性。(The invention discloses a NiCrAlY high-temperature sintering ZTA particle reinforced steel-iron-based composite material and a preparation method thereof, wherein the surface of ZTA particles is micro-roughened, the thermal stability of a ceramic coating is improved by adding an active element Y, the wettability of Ni and ceramic particles can be greatly improved by the adsorption capacity of Cr and Al to O elements, the interface combination is converted from simple mechanical combination into metallurgical combination, the composite material has higher combination and impact strength, the working condition environment under a high load state is met, then a self-made binder is added for shaping, the prefabricated body with a honeycomb structure is obtained by drying treatment, and then the honeycomb prefabricated body is subjected to heat treatment to improve the combination strength; and (3) putting the mixture into a sand box for casting molten metal, and cooling to obtain the ZTA reinforced steel-based composite material with higher wear resistance. The wear-resistant composite material prepared by the technology has high impact wear resistance and ensures the service safety under severe working conditions.)

一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料及其制备 方法

技术领域

本发明属于耐磨材料制备技术领域，具体涉及一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法。

背景技术

大型复合材料是矿山、冶金、水泥、电力等行业对矿物和建筑材料等物料进行破碎所必需的设备，而复合材料是这些设备中消耗最大的磨损件。仅水泥、电力工业，我国每年大型复合材料的消耗量高达80万吨，造成巨大的经济损失。目前，由于国产大型复合材料由于性能稳定性和抗磨性差，使用寿命短，成为制约矿山中粉碎效率的关键因素，因而国内大部分大型复合材料仍采用国外进口产品。单一金属材料的性能提高是有限的。采用整体合金化的材料其耐磨性虽然有所提高，但其韧性也同时大幅降低，降低了在冲击场合部件的服役安全性和耐磨性。因此，需要通过构建新型耐磨材料理论和优化制备工艺以期解决单一材料难以满足的相互矛盾。

陶瓷颗粒增强钢复合材料因引入增强相，表现出优异的抗磨性能，高铬铸铁基体提供了较好的韧性兼具高强度，陶瓷材料高硬度、高耐磨优点，工况下具有良好的使用性能。目前关于WC颗粒增强铁基复合材料的研究较为广泛，主要是由于WC颗粒的硬度高，能够赋予复合材料优异的耐磨性，并且其与高温铁液良好的润湿性有助于复合材料的制备，但是WC增强陶瓷的应用存在以下致命问题：首先WC的价格昂贵，WC的线膨胀系数(3.8×10^-6K^-1)与钢铁材料(9.2～16.9×10^-6K^-1)相差较大，复合材料制备过程及热处理时颗粒与铁基体的界面处易因热应力而产生裂纹，且复合材料的抗热震性能差。这些问题阻碍了WC颗粒增强铁基复合材料更进一步的工业应用。另一种常见的增强陶瓷为Al₂O₃，其市场价格低廉Al₂O₃陶瓷与铁基体之间润湿性较差，结合较差的界面致使复合材料在应力的作用下易产生裂纹。并且Al₂O₃陶瓷的脆性较大，导致复合材料在磨损过程中容易出现颗粒碎裂现象，因此不利于在高应力、强冲击等严苛磨损工况下应用。

选择具有较高硬度的ZTA颗粒作为的增强相，通过铸渗的方式进行冶金熔炼，从而获得具有高抗冲击性、高耐磨性的新型耐磨材料。复合材料的界面问题(界面优化设计以及界面对性能的影响)一直以来是制约金属基复合材料发展的关键因素，界面结合是金属基复合材料中重要组成部分，界面的性能直接影响了耐磨件的性能，所以，改善界面结合的方式迫在眉睫。由于ZTA颗粒与铁基之间结合性较差，通过铸渗法制备的高铬铸铁与ZTA之间为简单的机械结合，结合强度较低，严重影响了耐磨件在苛刻的实际工况下规模化应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法，制备的耐磨复合材料既具有高的抗冲击磨损性能，又保证了在苛刻工况下的服役安全性。

本发明采用以下技术方案：

一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将ZTA颗粒与SiO₂颗粒进行球磨处理，通过筛网过滤ZTA颗粒；

S2、将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末，将混合粉末与步骤S1得到的ZTA颗粒进行搅拌混合，再加入粘结剂充分混合，倒入蜂窝状模具后进行真空烘干处理；

S3、将蜂窝状模具进行加热处理固化定型并冷却；

S4、将蜂窝状模具经烧结处理后冷却得到蜂窝状的预制体；

S5、将蜂窝状的预制体放入砂箱中并固定铸型端面，采用铸渗法浇铸金属液，冷却后脱模得到具有较高耐磨性的钢铁基复合材料。

具体的，步骤S1中，SiO₂颗粒的粒径为4.7～5.5mm，球磨处理速度为75～200r/min，球磨处理时间为20～40min。

进一步的，使用10～40目的筛网过滤球磨处理后的ZTA颗粒。

具体的，步骤S1中，球磨处理前，先将ZTA颗粒在丙酮中浸泡20～35min，酸洗，随后通过超声波对丙酮进行清洗10～15min，经去离子水冲洗后烘干备用。

具体的，步骤S2中，NiCrAlY粉末与无水乙醇的质量比为(16～20):1，NiCrAlY粉末与ZTA颗粒的质量百分比为15％～30％。

进一步的，粘结剂包括质量比1：(8～8.5)的硼酸和SiO₂粉末，每100g的ZTA混合物中加入4～6ml粘结剂。

具体的，步骤S3中，烘干处理的温度为80～100℃。

具体的，步骤S4中，烧结处理具体为：自室温以6～10℃/min的升温速率升温至1100～1300℃，烧结1～2h。

具体的，步骤S5中，金属液为高铬铸铁，浇铸温度为1550～1700℃。

本发明的另一个技术方案是，一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种NiCrAlY高温烧结处理ZTA颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，通过物理气相沉积(PVD)多弧离子镀处理对ZTA颗粒表面镀覆高温粘结相Ni80Cr20，与基体的结合性能好，后通过热压烧结NiCrAlY合金粉末，通过Y元素的加入可以提高合金涂层的抗热性有助于浇筑过程中预制体的热稳定，由于Al，Cr对O元素的吸收能力大于Ni，可以提高Ni与陶瓷ZTA之间的润湿性，使ZTA陶瓷颗粒表面形成冶金结合，增强了铬层和ZTA陶瓷颗粒之间的界面结合性，且热压烧结后预制体的后形成的烧结颈可以大大提高预制体的室温及高温强度，以及预制体之间的孔隙率使得金属液的流动性增加有助于铸渗，满足工况所需要求。

进一步的，将ZTA颗粒在丙酮中浸泡，酸洗，随后通过超声波将丙酮清洗，去离子水冲洗，烘干，除去ZTA表面的污染物并使其干燥。

进一步的，将烘干后ZTA与SiO₂小颗粒放入球磨机进行低速球磨处理，使ZTA颗粒表面微粗糙化，过滤ZTA颗粒并用酒精清洗，有利于高温烧结时粉末的沉积，提高吸附率。

进一步的，将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末，将上述混合粉末与ZTA颗粒进行搅拌混合，随后加入粘结剂进行混合，控制不同的质量比优化预制体性能，倒入蜂窝状模具后经真空烘干

进一步的，将蜂窝状模具在低温热处理炉中加热处理固化定型，随后随炉冷却；可以使粘结剂烘干，提高预制体之间的结合强度。

进一步的，将蜂窝状模具放入真空热压烧结炉当中进行烧结，设定烧结温度与时间，然后随炉冷却；烧结后形成的烧结颈有利于预制体在高温浇筑过程中的强度以及金属液的流动；

进一步的，将蜂窝状的预制体放入砂箱中并用铁丝固定可有效防止ZTA颗粒被金属液冲离。采用传统的铸渗法浇铸金属液，冷却后可得到具有较高耐磨性的复合材料。

综上所述，本发明一种NiCrAlY高温烧结处理ZTA颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，通过活性元素Y的加入，使得陶瓷涂层的热稳定提高，并且Cr，Al的加入提高了Ni与陶瓷颗粒的润湿性，使界面结合由简单机械结合转化为冶金结合，具有较高的结合和冲击强度。采用本发明技术制备的耐磨复合材料既具有高的抗冲击磨损性能，又保证了在苛刻工况下的服役安全性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1采用ZTA颗粒烧结后表层组织示意图；

图2为本发明例2中采用ZTA颗粒烧结后宏观示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料及其制备方法，将ZTA颗粒的表面微粗糙化提高了表面粘结相的附着率，通过活性元素Y的加入，使得陶瓷涂层的热稳定提高，并且Cr，Al的加入可以大大提高Ni与陶瓷颗粒的润湿性，使界面结合由简单机械结合转化为冶金结合，具有较高的结合和冲击强度。随后加入自制粘结剂定型，烘干处理获得具有蜂窝状结构的预制体，随后对蜂窝状预制体进行热处理提高其结合强度；放入砂箱中浇铸金属液，冷却后得到具有较高耐磨性的ZTA增强钢铁基复合材料。采用本发明技术制备的耐磨复合材料既具有高的抗冲击磨损性能，又保证了在苛刻工况下的服役安全性。

本发明一种NiCrAlY高温烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将烘干后ZTA与粒径为4.7～5.5mm的SiO₂颗粒放入球磨机进行低速球磨处理，球磨处理速度为75～200r/min，球磨处理时间为20～40min，使ZTA颗粒表面微粗糙化，采用10～40目的筛网过滤ZTA颗粒并用酒精清洗；

球磨处理前，先将ZTA颗粒在丙酮中浸泡20～35min，酸洗，随后通过超声波将丙酮清洗10～15min，去离子水冲洗，并用干燥炉烘干。

S2、将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末NiCrAlY粉末与无水乙醇的质量比例为(16～20):1，粘结剂由硼酸和SiO₂粉末按1：(8～8.5)的质量比混合制成，每100gZTA混合物中加入4～6ml粘结剂，NiCrAlY粉末与ZTA的质量百分比为15％～30％，将混合后的ZTA颗粒倒入蜂窝状模具后经真空烘干；

S3、将蜂窝状模具在低温热处理炉中加热处理固化定型，烘干温度为80～100℃，蜂窝状预制体的孔隙率为30％～45％，随炉冷却；

S4、将蜂窝状模具放入真空热压烧结炉当中进行烧结，自室温以6～10℃/min的升温速率升温至1100～1300℃，烧结1～2h，随炉冷却；

由于ZTA表面单一镀覆合金元素会导致预制体之间的强度不够，通过高温(粉末熔点上下100℃)烧结预制体可以使预制体的强度大幅提高，增加在工况以及使用中的安全性。

S5、将蜂窝状的预制体放入砂箱中并用钉子固定铸型端面，采用传统的铸渗法，金属液为高铬铸铁，浇铸温度为1550～1700℃，冷却后脱模可得到具有较高耐磨性的钢铁材料。

蜂巢结构是蜂巢的基本结构，是由一个个正六角形单房、朝向一边、背对背对称排列组合而成的一种结构，这种结构有着优秀的几何力学性能，可以使金属液从四面八方流入提高了铸渗的效率。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1)首先，将ZTA在丙酮中浸泡20min，酸洗ZTA颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗10min，去离子水清洗，处理后的ZTA颗粒在真空干燥箱中烘干；

2)其次，将烘干后ZTA与4.7mm的SiO₂小颗粒放入75r/min的行星式球磨机进行时长为20min低速球磨处理，随后用10目的筛子过滤ZTA颗粒；

3)随后，将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末NiCrAlY粉末与无水乙醇的质量比例为16:1，粘结剂由硼酸和SiO₂粉末按1：8的质量比混合制成，每100gZTA混合物中加入4ml粘结剂，NiCrAlY粉末与ZTA颗粒的质量百分比为15％，将混合后的ZTA颗粒倒入蜂窝状模具后经真空烘干

4)将蜂窝状模具在低温热处理炉中加热处理固化定型，烘干温度为80℃；

5)将蜂窝状模具放入真空热压烧结炉当中进行烧结，自室温以6℃/min的升温速率升温至1100℃烧结1h，随炉冷却；

请参阅图1，图1为本发明实施例1采用ZTA颗粒烧结后表层组织示意图，可以看出烧结后表层致密，颗粒连续排布于ZTA表面，图2为本发明例2中采用ZTA颗粒烧结后宏观示意图，可以看出烧结颈的形成大大提高了预制体之间的结合强度，有利于金属液的浇筑。

6)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钉子固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1550℃，在三体磨损实验中，当软磨料磨损时，载荷越高材料的磨损量越大，但复合材料在高载荷下仍具有极高的耐磨性，为同样条件下Cr15的11.4倍。

实施例2

1)首先，将ZTA在丙酮中浸泡25min，酸洗ZTA颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗10min，去离子水清洗，处理后的ZTA颗粒在真空干燥箱中烘干；

2)其次，将烘干后ZTA与4.8mm的SiO₂小颗粒放入100r/min的行星式球磨机进行时长为20min低速球磨处理，随后用25目的筛子过滤ZTA颗粒；

3)随后，将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末NiCrAlY粉末与无水乙醇的质量比例为17:1，粘结剂由硼酸和SiO₂粉末按1：8的质量比混合制成，每100gZTA混合物中加入4.5ml粘结剂，NiCrAlY粉末与ZTA颗粒的质量百分比为20％，将混合后的ZTA颗粒倒入蜂窝状模具后经真空烘干

4)将蜂窝状模具在低温热处理炉中加热处理固化定型，烘干温度为80℃

5)将蜂窝状模具放入真空热压烧结炉当中进行烧结，自室温以6℃/min的升温速率升温至1100℃烧结2h，随炉冷却；

6)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钉子固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1600℃，在三体磨损实验中，当软磨料磨损时，载荷越高材料的磨损量越大，但复合材料在高载荷下仍具有极高的耐磨性，为同样条件下Cr15的11.7倍。

实施例3

1)首先，将ZTA在丙酮中浸泡25min，酸洗ZTA颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗15min，去离子水清洗，处理后的ZTA颗粒在真空干燥箱中烘干；

2)其次，将烘干后ZTA与4.8mm的SiO₂小颗粒放入125r/min的行星式球磨机进行时长为30min低速球磨处理，随后用25目的筛子过滤ZTA颗粒；

3)随后，将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末NiCrAlY粉末与无水乙醇的质量比例为18:1，粘结剂由硼酸和SiO₂粉末按1：8的质量比混合制成，每100gZTA混合物中加入4.5ml粘结剂，NiCrAlY粉末与ZTA颗粒的质量百分比为20％，将混合后的ZTA颗粒倒入蜂窝状模具后经真空烘干

4)将蜂窝状模具在低温热处理炉中加热处理固化定型，烘干温度为90℃

5)将蜂窝状模具放入真空热压烧结炉当中进行烧结，自室温以8℃/min的升温速率升温至1150℃烧结2h，随炉冷却；

6)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钉子固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1600℃，在三体磨损实验中，当软磨料磨损时，载荷越高材料的磨损量越大，但复合材料在高载荷下仍具有极高的耐磨性，为同样条件下Cr15的12.1倍。

实施例4

1)首先，将ZTA在丙酮中浸泡25min，酸洗ZTA颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗15min，去离子水清洗，处理后的ZTA颗粒在真空干燥箱中烘干；

2)其次，将烘干后ZTA与5.0mm的SiO₂小颗粒放入150r/min的行星式球磨机进行时长为30min低速球磨处理，随后用25目的筛子过滤ZTA颗粒；

3)随后，将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末NiCrAlY粉末与无水乙醇的质量比例为18:1，粘结剂由硼酸和SiO₂粉末按1：8的质量比混合制成，每100gZTA混合物中加入5ml粘结剂，NiCrAlY粉末与ZTA颗粒的质量百分比为25％，将混合后的ZTA颗粒倒入蜂窝状模具后经真空烘干

4)将蜂窝状模具在低温热处理炉中加热处理固化定型，烘干温度为90℃

5)将蜂窝状模具放入真空热压烧结炉当中进行烧结，自室温以8℃/min的升温速率升温至1200℃烧结1h，随炉冷却；

6)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钉子固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1600℃，在三体磨损实验中，当软磨料磨损时，载荷越高材料的磨损量越大，但复合材料在高载荷下仍具有极高的耐磨性，为同样条件下Cr15的12.5倍。

实施例5

1)首先，将ZTA在丙酮中浸泡30min，酸洗ZTA颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗15min，去离子水清洗，处理后的ZTA颗粒在真空干燥箱中烘干；

2)其次，将烘干后ZTA与5.3mm的SiO₂小颗粒放入175r/min的行星式球磨机进行时长为35min低速球磨处理，随后用30目的筛子过滤ZTA颗粒；

3)随后，将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末NiCrAlY粉末与无水乙醇的质量比例为18:1，粘结剂由硼酸和SiO₂粉末按1：8的质量比混合制成，每100gZTA混合物中加入5ml粘结剂，NiCrAlY粉末与ZTA颗粒的质量百分比为25％，将混合后的ZTA颗粒倒入蜂窝状模具后经真空烘干

4)将蜂窝状模具在低温热处理炉中加热处理固化定型，烘干温度为90℃

5)将蜂窝状模具放入真空热压烧结炉当中进行烧结，自室温以10℃/min的升温速率升温至1200℃烧结2h，随炉冷却；

6)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钉子固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1650℃，在三体磨损实验中，当软磨料磨损时，载荷越高材料的磨损量越大，但复合材料在高载荷下仍具有极高的耐磨性，为同样条件下Cr15的12.8倍。

实施例6

1)首先，将ZTA在丙酮中浸泡35min，酸洗ZTA颗粒，随后通过超声波将其丙酮清洗15min，去离子水清洗，处理后的ZTA颗粒在真空干燥箱中烘干；

2)其次，将烘干后ZTA与5.5mm的SiO₂小颗粒放入200r/min的行星式球磨机进行时长为40min低速球磨处理，随后用40目的筛子过滤ZTA颗粒；

3)随后，将NiCrAlY粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末NiCrAlY粉末与无水乙醇的质量比例为20:1，粘结剂由硼酸和SiO₂粉末按1：8.5的质量比混合制成，每100gZTA混合物中加入6ml粘结剂，NiCrAlY粉末与ZTA颗粒的质量百分比为30％，将混合后的ZTA颗粒倒入蜂窝状模具后经真空烘干

4)将蜂窝状模具在低温热处理炉中加热处理固化定型，烘干温度为100℃

5)将蜂窝状模具放入真空热压烧结炉当中进行烧结，自室温以6℃/min的升温速率升温至1300℃烧结2h，随炉冷却；

6)将制备的预制体固定于型腔特定位置，并用钉子固定，选择传统的铸渗法浇注金属液，浇筑温度选择1650℃，在三体磨损实验中，当软磨料磨损时，载荷越高材料的磨损量越大，但复合材料在高载荷下仍具有极高的耐磨性，为同样条件下Cr15的13.1倍。

本发明一种NiCrAlY高温烧结处理ZTA颗粒增强钢铁基复合材料的制备方法，将ZTA颗粒的表面微粗糙化提高了表面粘结相的附着率，通过活性元素Y的加入，使得陶瓷涂层的热稳定提高，并且Cr，Al的加入可以大大提高Ni与陶瓷颗粒的润湿性，使界面结合由简单机械结合转化为冶金结合，具有较高的结合和冲击强度。随后加入自制粘结剂定型，烘干处理获得具有蜂窝状结构的预制体，随后对蜂窝状预制体进行热处理提高其结合强度；放入砂箱中浇铸金属液，冷却后得到具有较高耐磨性的ZTA增强钢铁基复合材料。采用本发明技术制备的耐磨复合材料既具有高的抗冲击磨损性能，又保证了在苛刻工况下的服役安全性。

综上所述，本发明制备得到的具有“钉扎作用”的高铬铸铁耐磨材料中，将增强体设计为蜂窝状，由于伸入陶瓷增强体的圆柱形金属基体提高了陶瓷与基体接触面积和结合力，高硬度ZTA颗粒材料作为复合材料的碾磨面以提高复合材料的抗磨性，而高韧性材料位于复合材料的内部以防止断裂与剥落。同时，蜂窝状ZTA陶瓷由于“双阴影效应”保护了基体，改善了复合材料的耐磨性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。