[0001] 本发明涉及一种高铬铸铁复合材料以及制备方法，尤其涉及一种高铬铸铁梯度复合材料及其制备方法。

[0002] 在现有技术中，高铬铸铁是一种性能优良而具有广泛应用的抗磨材料，并且高铬铸铁形成由梯度复合材料后，其耐磨性和硬度将有显著提升。

[0003] 常用的梯度材料制备方法有：粉末冶金法、溶胶‑凝胶法、激光表面处理法、化学反应法、热处理法等。但是，上述方法在制备以高铬铸铁为基体的梯度复合材料时均存在问题，粉末冶金法虽然可以制备复杂成分的梯度材料(这个我觉得可以参考专利，CN117904507A)，但是在粉末混合和压制的过程中容易出现不均匀的现象，影响材料的性能；溶胶‑凝胶法制备过程需要较高的温度和较长的时间，且溶剂的使用可能对环境造成污染；激光表面处理法所使用的设备成本较高，对操作技术要求严格，且处理过程中可能会产生热应力；化学反应法的控制较为困难，容易出现反应不完全或者出现过度反应的情况影响材料的性能；热处理法的工艺处理虽然相对简单，但是热处理的温度和时间的控制对材料的性能影响很大，且对于高铬铸铁材料难以实现显著的梯度效果。

[0032] 下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

[0033] 实施例1

[0034] 本实施例中n＝3，因此高铬铸铁梯度复合材料中梯度层包括三层堆焊层，制备流程如图5所示，具体制备方法如下：

[0035] 将配好的增强粉末(原子比1：1TiC)放入行星磨球机中，使用不锈钢球进行12‑16个小时的机械合金化，球料比为7：1，转速设定为300‑600r/min，加质量比1％正庚烷防止冷焊，球磨机每隔三小时，停转半小时。由于n为3，所以将上述粉末分为三份，得到第一层、第二层和第三层的混合合金粉末。

[0036] 然后由筛粉机筛出粒度范围为350目的混合合金粉末。第一层按照体积比称取5％TiC加入混合合金粉末中，用V型混粉机，以60r/min混合10小时使得混合粉末均匀，混合好的复合合金粉末作为加工药芯的结构用材料，称为第一层药芯粉末。其中，第一层药芯粉末各个元素含量为碳5.69％、锰0.846％、硅1.95％、铬29.32％、镍0.154％、钛0.0305％、其余为铁，得到第一层堆焊层，其成分含量为：碳7.69％、锰0.83％、硅1.95％、铬27.83％、镍0.15％、钛5.1305％、其余为铁。

[0037] 第二层按照体积比称取10％TiC加入混合合金粉末中，用V型混粉机，以60r/min混合10小时使得混合粉末均匀，混合好的复合合金粉末作为加工药芯的结构用材料，称为第二层药芯粉末。其中，第二层药芯粉末各个元素含量为碳5.19％、锰0.758％、硅1.05％、铬27.13％、钛1.62％、镍0.144％、其余为铁，得到第二层堆焊层，其成分含量为：碳6.85％、锰
0.95％、硅1.05％、铬25.32％、镍0.14％、钛11.6％、其余为铁。

[0038] 第三层按照体积比称取12.5％TiC加入混合合金粉末中，用V型混粉机，以60r/min混合10小时使得混合粉末均匀，混合好的复合合金粉末作为加工药芯的结构用材料，称为第三层药芯粉末。其中第三层药芯粉末各个元素含量为碳5.49％、锰0.95％、硅1.05％、铬27.56％、镍0.154％、钛2.32％、其余为铁，得到第三层堆焊层，其成分含量为：碳6.35％、锰
0.92％、硅1.03％、铬22.95％、镍0.14％、钛14.8％、其余为铁。

[0039] 制备药芯：将三份冷轧低碳钢带弯成U形，将第一层、第二层和第三层药芯粉末分别加入到钢带U形槽中，将U形钢带合成O形然后拉拔，形成第一层药芯、第二层药芯和第三层药芯。

[0040] 制备药皮料筒：将药皮料粉混合后放入一个模具中，通过机器压制后变成一个中间带有圆孔的圆柱形的筒形料筒。

[0041] 涂覆药皮：将压制好的多个料筒放入机器内，将药芯整齐的放入机器送料口，药芯从机器送料口依次进入机器中，药芯在从料筒中间通过时由于机器的挤压，将粉料均匀的涂覆在经过的药芯上，形成一层药皮，药皮外径和药芯直径的比为1.76。

[0042] 焊条成型：经过了涂覆药皮，磨头和磨尾后的焊条将被均匀的排列在铁架上，被送到烘箱内烘干，烘干温度为200℃，得到焊条，焊条的药芯质量占比为50％。

[0043] 制备梯度复合材料：以高铬铸铁为基板，采用焊条电弧堆焊的方法，在其上堆焊该七元合金,功率为1500w，在堆焊第一层药芯后，再堆焊第二层药芯和第三层药芯。通过采用焊条电弧堆焊法获得的为堆焊层的连接材料。即以Fe‑C‑Si‑Cr‑Ni‑Mn‑Ti七元合金为堆焊层，得到梯度材料。焊接电压为30V，焊接电流为300A，焊接速度为20cm/min；耐磨层第一层厚度为4mm，耐磨层第二层厚度为4mm，耐磨层第三层厚度为3mm。

[0044] 对上述不同使用情况所获得的梯度材料进行洛氏硬度试验，此次试验保底时间为10s，测试力为200g，试验结果如下表1：

[0045] 洛氏硬度试验结果：

[0046] 表1

[0047]   测量值 测量值 测量值 平均测量值  1/HRC0.2 2/HRC0.2 3/HRC0.2 4/HRC0.2
高铬铸铁 45.2 56.5 58.7 53.4
堆焊层一 56.3 57.8 64.1 59.4
堆焊层二 63.5 68.1 69.8 67.1
堆焊层三 65.8 69.3 70.7 68.6

[0048] 上述洛氏硬度试验结果表明：该不同使用情况获得的梯度材料的硬度均较大，说明以该七元合金所构成的堆焊层获得的梯度材料能够获得较高的、接近高铬铸铁基体的硬度，使得材料结合后的应用更加广泛。

[0049] 上述堆焊层的显微金相图如图1和图2所示，从图1和图2可以看出不同的TiC含量的堆焊层整体致密均匀，未发现明显的气孔和裂纹等缺陷。

[0050] 对比例1

[0051] 本对比例中同样是制备三层堆焊层，区别是采用的是Si粉和C粉，其按照原子比1:1，称取相应的质量粉末放入入行星磨球机中，使用不锈钢球进行14个小时的机械合金化，球料比为7：1，转速设定为400r/min，加质量比1％正庚烷防止冷焊，球磨机每隔三小时，停转半小时。得到上述第一层、第二层和第三层的混合合金粉末。

[0052] 然后由筛粉机筛出粒度范围为350目的粉末作为成品粉。第一层按照体积比称取5％SiC加入混合合金粉末中，用V型混粉机，以60r/min混合10小时使得混合粉末均匀，混合好的复合合金粉末作为加工药芯的结构用材料，称为第一层药芯粉末。其中，第一层药芯粉末各个元素含量碳5.69％、锰0.846％、硅1.95％、铬29.32％、镍0.154％、钛0.0305％其余为铁，得到第一层堆焊层其成分含量为碳7.56％、锰0.83％、硅6.95％、铬27.37％、镍
0.15％、钛0.0305％、其余为铁。

[0053] 第二层按照体积比称取10％SiC加匀混合合金粉末，混合好的复合合金粉末作为加工药芯的结构用材料，称为第二层药芯粉末。其中，第二层药芯粉末各个元素含量为碳5.19％、锰0.758％、硅1.05％、铬27.13％、钛1.62％、镍0.144％、其余为铁，得到第二层堆焊层其成分含量为碳6.79％、锰0.756％、硅11.05％、铬24.32％、镍0.14％、钛1.62％、其余为铁。

[0054] 第三层按照体积比称取12.5％SiC加入混合合金粉末中，用V型混粉机，以60r/min混合10小时使得混合粉末均匀，混合好的复合合金粉末作为加工药芯的结构用材料，称为第三层药芯粉末。其中第三层药芯粉末各个元素含量为碳5.49％、锰0.95％、硅1.05％、铬27.56％、镍0.154％、钛2.32％其余为铁，得到第三层堆焊层其成分含量为碳6.17％、锰
0.95％、硅13.5％、铬22.79％、镍0.154％、钛2.32％、其余为铁。

[0055] 制备药芯：去锈、拉拔、核直切断，首先将成卷的钢条从卷轴上牵引出来，在机器中将钢条表面的锈迹去除干净，再将其拉直，通过机器将钢条剪切成焊条的长度300mm，将三份冷轧低碳钢带弯成U形，将第一层、第二层和第三层药芯粉末分别加入到钢带U形槽中，将U形钢带合成O形然后拉拔，形成第一层药芯、第二层药芯和第三层药芯。

[0056] 制备药皮料筒：将药皮料粉混合后放入一个模具中，通过机器压制后变成一个中间带有圆孔的圆柱形的筒形料筒。

[0057] 涂覆药皮：将压制好的多个料筒放入机器内，将药芯整齐的放入机器送料口，药芯从机器送料口依次进入机器中，药芯在从料筒中间通过时由于机器的挤压，将粉料均匀的涂覆在经过的药芯上，形成一层药皮，药皮外径和药芯直径的比为1.76。

[0058] 焊条成型：经过了涂覆药皮，磨头和磨尾后的焊条将被均匀的排列在铁架上，被送到烘箱内烘干，烘干温度为200℃，得到焊条，焊条的药芯质量占比为50％。

[0059] 制备梯度复合材料：以高铬铸铁为基板，采用焊条电弧堆焊的方法，在其上堆焊该七元合金,功率为1500w，在堆焊第一层药芯后，再堆焊第二层药芯和第三层药芯。通过采用焊条电弧堆焊法获得的为堆焊层的连接材料。即以Fe‑C‑Si‑Cr‑Ni‑Mn‑Ti七元合金为堆焊层，得到梯度材料。焊接电压为30V，焊接电流为300A，焊接速度为20cm/min；耐磨层第一层厚度为4mm，耐磨层第二层厚度为4mm，耐磨层第三层厚度为4mm。

[0060] 对上述不同使用情况所获得的梯度材料进行洛氏硬度试验，此次试验保底时间为10s，测试力为200g，试验结果如下表2：

[0061] 洛氏硬度试验结果：

[0062] 表2

[0063]   测量值 测量值 测量值 平均测量值  1/HRC0.2 2/HRC0.2 3/HRC0.2 4/HRC0.2
高铬铸铁 45.2 56.5 58.7 53.4
堆焊层一 53.4 57.4 59.0 56.6
堆焊层二 61.4 63.8 67.1 64.1
堆焊层三 63.1 64.3 66.7 64.7

[0064] 上述洛氏硬度试验结果表明：该不同使用情况获得的梯度材料的硬度均较大，说明以该七元合金所构成的堆焊层获得的梯度材料能够获得较高的、接近高铬铸铁基体的硬度，使得材料结合后的应用更加广泛。但经过实例1与2的对比不难看出TiC的堆焊层强度更高。

[0065] 从图1和图2可以看出不同的TiC含量的堆焊层整体致密均匀，未发现明显的气孔和裂纹等缺陷。而在图3和图4中可以看出SiC颗粒在堆焊层有聚集现象，这是因为SiC颗粒较轻，容易在熔融的状态下流动，因此可以看出TiC来制备梯度复合材料能够与高铬铸铁结合较佳，并且可以大幅提高高铬铸铁的性能。