本發(fā)明涉及鋼鐵基復合材料的，尤其涉及一種鋼鐵基復合材料及其制備方法和應用。
背景技術：
1、隨著服役工況的日益復雜化與設備運行的高效化，傳統單一耐磨鋼鐵材料已無法滿足耐磨領域更高的使用性能需求。兼具鋼鐵材料良好的韌性與塑性、以及硬質顆粒高硬度與高耐磨性的鋼鐵基復合材料是替代傳統單一鋼鐵耐磨材料的首選?，F階段，圓錐、襯板、板錘等礦山破碎裝備核心易損零部件復合化的試用，有效延長了易損零部件的使用壽命，顯著提升了裝備的破碎、研磨效率。然而，圓錐、襯板、板錘等中、大型零部件只占有耐磨鋼鐵材料領域的30％左右。像葉輪、泵殼、刀齒以及滾刀等耐磨鋼鐵材料領域高占比的中、小型薄壁件難以復合化問題，始終限制著耐磨鋼鐵材料的升級與換代。
2、因此，如何實現中、小型耐磨鋼鐵零部件的復合化，提升其使用壽命，對耐磨領域的發(fā)展是十分有必要的。
技術實現思路
1、本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足之處而提供了一種鋼鐵基復合材料及其制備方法和應用。本發(fā)明結合粉末冶金和鑄造工藝，原位獲得tic、wc、crxcy、vc、moc、nbc等兩種或多種硬質顆粒增強的鋼鐵基復合材料。
2、為實現上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為：
3、第一方面，本發(fā)明還提供一種鋼鐵基復合材料的制備方法，包括以下步驟：
4、(1)將碳粉和金屬粉末按照原子比1:1的比例混合均勻，獲得初始粉末；
5、(2)將初始粉末壓制成球形顆粒，然后加入粘結劑混合均勻，獲得混合物，隨后將混合物冷壓成型，固化后獲得預制坯體；
6、(3)將預制坯體于150-200℃預燒結，獲得燒結坯體；
7、(4)采用熔體對所述燒結坯體進行澆鑄，獲得鋼鐵基復合材料。
8、優(yōu)選地，所述步驟(1)中，所述金屬粉末包括ti、w、cr、v、mo、nb中的至少兩種。
9、本發(fā)明先將初始粉末壓制成球形顆粒，然后加入粘結劑得到混合物，再將混合物通過冷壓成型制備得到預制坯體，再將預制坯體通過預燒結獲得燒結坯體。隨后將燒結坯體進行高溫熔體澆鑄，燒結坯體會在高溫熔體的作用下發(fā)生相變反應，自生出tic、wc、crxcy、vc、moc、nbc等兩種或多種硬質顆粒，最后獲得鋼鐵基復合材料。本發(fā)明所述燒結坯體不僅具有三維連通孔道，還具備一定的強度，可有效抵抗高溫熔體的侵蝕作用，避免燒結坯體潰散。
10、若預燒結溫度太低，燒結坯體的強度會下降，最終在鋼鐵基復合材料中有被沖散的風險。若預燒結溫度太高，燒結坯體會發(fā)生相變反應。因此，本發(fā)明通過控制預燒結溫度在上述范圍內，有利于提高鋼鐵基復合材料的性能。
11、由于球形顆粒具有較高的比表面積，制備成預制坯體后增大了金屬基體與硬質顆粒的接觸面積，提高了基體對硬質顆粒的釘扎效果，有利于獲得高質量復合材料。
12、本發(fā)明所述tic、wc、crxcy、vc、moc、nbc等兩種或多種硬質顆粒在鋼鐵基復合材料中的體積分數大于60％。
13、需要說明的是，所述crxcy是一類碳化物，有cr23c6、cr6c、cr7c3、cr3c等不同形式。
14、優(yōu)選地，所述步驟(1)中，按照原子百分比，所述初始粉末包括50％的c、20-45％的ti、0-25％的w、0-10％的v、0-5％的nb、0-20％的cr、0-10％的mo。
15、優(yōu)選地，所述步驟(2)中，所述球形顆粒的平均粒徑為3-5mm。
16、若球形顆粒的粒徑太小會造成預制坯體之間的孔隙過小，不利于后期熔體浸滲。若球形顆粒的粒徑過大，會導致復合材料組織中硬質相體積分數偏低，不利于性能整體提升。因此，本發(fā)明通過控制球形顆粒的粒徑在上述范圍內，有利于提高鋼鐵基復合材料的性能。
17、更優(yōu)選地，所述球形顆粒的平均粒徑為3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm中的任意一者或兩者間的范圍值。
18、優(yōu)選地，所述步驟(2)中，所述粘結劑的質量占球形顆粒質量的2-5％，具體可為2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％中的任意一者或兩者間的范圍值。
19、本發(fā)明所述粘結劑可采用常規(guī)的有機樹脂粘結劑。
20、優(yōu)選地，所述步驟(2)中，所述冷壓成型的壓力為20-30mpa，保壓時間為10-20s。
21、優(yōu)選地，所述步驟(3)中，所述燒結坯體的強度大于15mpa。
22、優(yōu)選地，所述步驟(4)中，所述澆鑄的溫度為1350-1500℃，具體可為1350℃、1380℃、1400℃、1420℃、1450℃、1480℃、1500℃中的任意一者或兩者間的范圍值。
23、優(yōu)選地，所述步驟(4)中，所述熔體可適用高鉻鑄鐵、高錳鋼、合金鋼等。
24、第二方面，本發(fā)明還提供一種由上述方法制備得到的鋼鐵基復合材料。
25、優(yōu)選地，所述鋼鐵基復合材料包括硬質顆粒，所述硬質顆粒包括tic、wc、crxcy、vc、moc、nbc中的至少兩種。
26、第三方面，本發(fā)明還提供一種鋼鐵基復合材料在易損零部件中的應用，具體可以用于疏浚與掘進等領域的葉輪、泵殼、刀齒、鉆頭、盾構機滾刀等中小型薄壁易損零部件，可顯著提高其使用壽命。
27、與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：
28、本發(fā)明通過將初始粉末壓制成球形顆粒并將其制備成燒結坯體，燒結坯體中獨立個體球形顆粒的大比表面積增大了硬質顆粒與基體的接觸面積，有利于基體對硬質顆粒的釘扎作用。并且，球形顆粒的存在能夠避免燒結坯體后期澆筑過程中發(fā)生劇烈的相變反應。同時，通過相變反應的方式獲得tic、wc、crxcy、vc、moc、nbc等兩種或多種硬質顆粒，這些硬質顆粒與鋼鐵基體之間具有良好的冶金結合，最終獲得組織結構穩(wěn)定、性能優(yōu)異的鋼鐵基復合材料。此外，本發(fā)明所述制備方法操作簡單，生產效率高，可實現鑄件一次成型，適合低成本批量生產組織結構穩(wěn)定、性能良好的鋼鐵基復合材料。
1.一種鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中，所述金屬粉末包括ti、w、cr、v、mo、nb中的至少兩種。
3.如權利要求2所述的鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中，按照原子百分比，所述初始粉末包括50％的c、20-45％的ti、0-25％的w、0-10％的v、0-5％的nb、0-20％的cr、0-10％的mo。
4.如權利要求1所述的鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述球形顆粒的平均粒徑為3-5mm。
5.如權利要求1所述的鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述粘結劑的質量占球形顆粒質量的2-5％。
6.如權利要求1所述的鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述冷壓成型的壓力為20-30mpa，保壓時間為10-20s。
7.如權利要求1所述的鋼鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中，所述澆鑄的溫度為1350-1500℃。
8.如權利要求1-7任一項所述的鋼鐵基復合材料的制備方法制備得到的鋼鐵基復合材料。
9.如權利要求8所述的鋼鐵基復合材料，其特征在于，所述鋼鐵基復合材料包括硬質顆粒，所述硬質顆粒包括tic、wc、crxcy、vc、moc、nbc中的至少兩種。
10.如權利要求9所述的鋼鐵基復合材料在易損零部件中的應用。