[0001] 本发明涉及一种基于增强锰钢的复合材料、由其制成的耐磨部件及其制造方法。

[0002] 一类特别的耐磨钢通常被称为锰钢或哈德菲尔德钢(Hatfield steel)。这些材料适用于需要高韧性和中等耐磨性的应用，包括例如用作压碎机的耐磨部件，所述耐磨部件由于压碎岩石的动作而经受强烈的磨擦和动态表面压力。当岩石材料与所述耐磨部件接触并将材料从耐磨部件表面剥离时，会产生磨擦。此外，耐磨部件的表面经受显著高的表面压力，导致耐磨部件疲劳和破裂。

[0003] 通常，锰钢或哈德菲尔德钢的特征在于具有一定量的锰，通常超过11重量%。然而，锰钢的问题在于，对于经受极端操作条件的现代压碎机中的耐磨部件，所述锰钢的延展性通常太大，这意味着耐磨部件的寿命缩短以及维护成本增加。因此，要解决的问题是提供一种具有增强的耐磨性的锰钢。

[0004] 一种已知的解决方案是用硬度增加的粒子增强锰钢的至少一部分。WO20200222662公开了一种复合材料，但这种材料的问题在于无法在耐磨性和抗冲击性之间提供优化的平衡，并且甚至更严重的问题在于增强粒子和锰钢基质之间结合不良，并且增强区和非增强区之间结合不良，从而导致耐磨性降低和耐磨部件过早失效。

[0005] 因此，要解决的问题是提供一种能够用于耐磨部件的、在耐磨性和抗冲击性之间具有优化的平衡的复合材料，其中增强粒子和锰基质之间的结合以及增强区和非增强区之间的结合都得到改进，以减少会导致耐磨部件过早失效的缺陷和开裂。

[0006] 定义

[0007] “催化剂(catalysis)”是在自蔓延高温合成(SHS)中的反应期间经历熔化并形成复合区的基质的金属粉末或金属粉末的混合物。催化剂的基本作用是减少SHS过程中耗散的能量的量。

[0008] “压实体”是致密的粉末组合物。

[0030] 图1示出了复合材料2，包含至少一个增强区4，所述至少一个增强区4包含碳化铌(NbC)和锰钢基质；锰钢区6，所述锰钢区6围绕所述增强区4中的每一个；以及界面层8，所述界面层8位于所述增强区4中的每一个与所述锰钢区6之间。在所述增强区中的每一个中，所述NbC起增强所述锰钢基质的作用。

[0031] 所述增强区(4)中的每一个中所述NbC粒子的平均晶粒尺寸为2‑5 µm之间、优选2‑4 µm之间、最优选2‑3 µm之间。

[0032] 所述NbC晶粒的平均晶粒尺寸通过扫描电子显微镜(SEM)分析来测量，其中分析了样品中的不同区域并测量了粒径。然后，计算平均粒径。

[0033] 各个界面层8包含NbC和锰钢，并且可以与所述增强区4区分开，因为NbC晶粒的形状和尺寸不同。可以通过以下操作所述界面层8可以与所述增强区4区分开：比较几何形状和/或比较平均晶粒尺寸。如果比较几何形状，则所述增强区4包含>90%的具有方棱柱几何形状的NbC晶粒，而所述界面层8包含<5%的具有方棱柱几何形状的NbC晶粒。如果NbC晶粒具有4条锋利的边，则认为所述晶粒具有方棱柱几何形状。如果比较晶粒尺寸，则所述界面层8的平均NbC晶粒尺寸比所述增强区4的平均NbC晶粒尺寸小至少5%。

[0034] 图2示出了使用MIRA3 TESCAN设备的扫描电子显微镜图像。使用了具有15 KV的高电压和9 mm的工作距离配置的二次电子探测器(SE)。所述增强区4中所述NbC晶粒的SEM图像。图3示出了所述界面层8中所述NbC晶粒的SEM图像。当比较这两个附图时，可以清楚地看到不同的NbC晶粒几何形状和尺寸。

[0035] 在一个实施方式中，所述增强区4中的每一个中NbC的重量%为60%‑90%之间、更优选80%‑91%之间、甚至更优选80%‑90%之间。

[0036] 在一个实施方式中，锰钢区6中所述锰钢的组成具有如下以重量计的化学组成：碳：0.5%至2.0%；锰：11%至22%；硅：0.2%至1.0%；铬：1%至2%；镍：高达0.6%；钼：高达0.5%；以及余量的Fe。

[0037] 在一个实施方式中，所述增强区4中的每一个中所述锰钢的化学组成具有如下以重量计的化学组成：1%‑1.5%的C、11%‑14%的Mn、0.4%‑0.8%的Si、1.3%‑2.0%的Cr、0.6%的Ni、0.065%的P。

[0038] 在一个实施方式中，所述增强区4的硬度为600‑1000 HV1之间、优选750‑1000 HV1之间。所述锰钢区6的硬度为200‑300 HV1之间。

[0039] 使用对抛光样品的维氏硬度映射来测量硬度，采用1 kg和15秒的保持时间。使用显微硬度测试仪Matsuzawa，型号MXT。硬度测量曲线从非增强区开始进行，移动到所述界面层，然后移动到所述增强区。

[0040] 在一个实施方式中，所述界面层6的宽度为90‑300 µm之间、优选130‑200 µm之间。图4示出了在15.0 kV、563倍放大倍率下拍摄的所述增强区4、所述锰钢区6和所述界面层8的SEM图像。所述界面层6的宽度从起点10测量，所述起点10被定义为与所述锰钢区6相邻并且所述NbC晶粒存在的点。终点12用于测量所述界面层8在何处终止以及因此测量所述增强区8在何处开始，其被认为是所述NbC晶粒的平均晶粒尺寸与所述起点10处测量的平均NbC晶粒相比增加20%的位置和/或具有方棱柱形状的NbC晶粒的百分比增加了超过90%的位置。

[0041] 在一个实施方式中，所述界面层8没有缺陷。缺陷被认为是裂纹或孔。

[0042] 在一个实施方式中，所述增强区4中所述NbC晶粒和所述锰钢之间的润湿性为>99%、优选>99.5%、更优选>99.9%、最优选100%。润湿性通过扫描电子显微镜测量，其中评价了所述NbC晶粒和所述锰钢之间的接触面积和结合。

[0043] 在一个实施方式中，所述增强区4中的每一个具有30‑75 cm3之间的体积。例如但不限于所述增强区4可以具有100‑200 mm之间、优选100‑150 mm之间的长度，20‑30 mm之间、优选20‑25 mm之间的宽度，以及15‑30 mm之间、优选15‑25 mm之间的厚度。

[0044] 在一个实施方式中，所述增强区4中所述NbC晶粒的>95%、优选>98%、更优选>99%具有方棱柱形状。优选地，在所述增强区中，所述NbC晶粒均匀分布在所述锰钢中。

[0045] 在一个实施方式中，存在多个增强区4及其界面区8，并且两个相邻的增强区4及其界面层8之间的距离为1‑5 mm之间、优选1‑3 mm之间、更优选1‑2 mm。

[0046] 图5示出了包含如上文或下文所述的复合材料2的耐磨部件14的一个示例。例如，耐磨部件2可以是但不限于圆锥压碎机、或者固定式颚式压碎机、或者配置为压碎材料或其它材料/岩石加工单元的移动式颚式压碎机。所述增强区4位于所述耐磨部件14上经受最多高磨损的位置中，例如在圆锥压碎机16的压碎区18上。

[0047] 用于制造如上文或下文所述的复合材料2的方法包括以下步骤：a)将50‑90重量%、优选77‑90重量%的铌，6‑20重量%、优选10‑20重量%的碳和0‑40重量%、优选0‑10重量%的催化剂粉末混合在一起；b)使用450‑700 MPa之间、优选500‑650 MPa、更优选550‑650 MPa的压实压力将混合的粉末压实在一起，以形成至少一个压实体；c)将至少一个压实体放置并任选地固定入模具的内部；d)将熔融铸造的锰钢倒入所述模具内以围绕所述至少一个压实体，从而引发自蔓延高温合成(SHS)反应以制造铸件；e)对所述铸件进行热处理；然后f)将所述铸件进行淬火。

[0048] 优选地，将所述铸件在1400‑1500℃之间的温度下处理，使用水对所述铸件进行淬火。优选地，所述催化剂选自Fe、Co、Ni、Mo、Cr、W、Al或其混合物。碳可以以石墨、无定形石墨、碳质材料或其混合物的形式添加。例如，在铸造期间，可以使用金属固定系统将压实体固定到位置中，从而将它们固定到位置中。

[0049] 实施例

[0050] 实施例1 ‑ 样品

[0051] 样品A是非增强锰钢的比较样品，具有如下组成：1%‑1.5%的C、11%‑14%的Mn、0.4%‑0.8%的Si、1.3%‑2.0%的Cr、0.6%的Ni、0.065%的P。

[0052] 样品B‑H是通过将铌、碳和催化剂粉末混合在一起而制造的复合材料的样品。将混合粉末压实以形成压实体，然后将所述压实体放置入模具内，然后将熔融锰钢倒入所述模具内以围绕所述压实体从而引发SHS反应，所述熔融锰钢具有如下组成：1%‑1.5%的C、11%‑14%的Mn、0.4%‑0.8%的Si、1.3%‑2.0%的Cr、0.6%的Ni、0.065%的Mo，然后在1450℃的温度下对所述铸件进行热处理，然后用水进行淬火。表1示出了增强样品的汇总：

[0053]

[0054] 可以看出，如果压实压力不够高，则润湿性降低。

[0055] 实施例2 ‑ 硬度

[0056] 维氏硬度通过显微硬度测试仪Matsuzawa，型号MXT，进行测量，使用1 kgf和15秒的保持时间。硬度测量分布从非增强区开始进行，移动到所述界面层，然后移动到所述增强区。

[0057] 硬度测量结果在下表2中示出：

[0058]

[0059] 可以看出，与对照样品相比，发明样品的增强区中硬度增加。

[0060] 实施例3 ‑ 磨损测试

[0061] 使用实验室颚式压碎机使用标准磨损测试来测试磨损。磨损测试程序由使用固定量的岩石(1吨直到4吨的岩石)组成。将四块板(两块固定板和两块移动板)放置在颚式压碎机内部。参照板也安装在两个位置中。参照板基于Weldox型的材料。

[0062] 磨损的计算基于测试板与参照板相比的体积损失差异。在磨损测试之前和之后对3 3
所有板进行称量。然后，对参照板和测试板分别使用7.85 g/cm和7.6 g/cm的密度计算体积损失。根据ASTM G81‑97a(2013)计算总磨损率(WR)。

[0063] 磨损测试结果在下表3中示出：

[0064]

[0065] 可以看出，发明样品的磨损率(wear rate)低。

[0066] 实施例4 ‑ 缺陷

[0067]

[0068] 通过使用扫描电子显微镜分析来评估缺陷，其中识别裂纹和孔。可以看出，发明样品没有缺陷。可以看出，比较样品含有孔，而发明样品则没有。图6示出了样品F中的孔，而图4示出了样品B中没有任何孔。