專利名稱：原位反應(yīng)生成TiB₂/Fe基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于Fe基復(fù)合材料的制備方法，特別涉及一種以TiB2為強(qiáng)化相的Fe基復(fù)合 材料的制備方法。
背景技術(shù)：
TiB2是過渡族金屬元素Ti和B的唯一穩(wěn)定化合物，相互以共價(jià)鍵結(jié)合，其晶格 結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，硼原子面和鈦原子面交替出現(xiàn)，其中硼原子以共價(jià)鍵結(jié)合形成二 維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，另含有很大部分類金屬鍵，這使得它具有特殊的物理化學(xué)性能，是一種極 為穩(wěn)定的超硬陶瓷材料。TiB2硬度高，僅次于金剛石、立方BN和BX，熔點(diǎn)高達(dá)3225 °C，不但耐高溫、耐磨損、耐腐蝕，而且具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。因此，TiB2倍受關(guān) 注。傳統(tǒng)的制備TiB2/金屬基復(fù)合材料的方法主要為粉末冶金法和熔煉法。粉末冶金法 是將金屬粉末和陶瓷粉末混合后，壓制成型，然后在一定溫度下保溫?zé)Y(jié)得到TiB2/金 屬基復(fù)合材料，該法制得的TiB2/金屬基復(fù)合材料不僅存在一定的孔隙，而且在制備過 程中存在強(qiáng)化相TiB2與金屬基體間的界面污染問題，且燒結(jié)時(shí)間較長，能耗高。熔煉法 是先將金屬材料熔化，然后將TiB2加入到液態(tài)金屬中，該法不僅存在TiB2分布不均勻的 問題，而且也存在界面污染問題，影響TiB2的增強(qiáng)效果。此外，由于TiB2/鐵基復(fù)合材 料具有優(yōu)良的耐磨性能，也有采用激光熔覆等表面處理技術(shù)在鐵基體表面生成TiB2耐磨 涂層的報(bào)道，但表面處理技術(shù)存在工藝復(fù)雜，涂層厚度有限，且與基體結(jié)合不牢等問題，. 所制備的TiB2/Fe基復(fù)合材料存在使用過程中易脫落，微觀組織、性能不均勻，成分偏 析，熔覆區(qū)殘余應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種原位反應(yīng)生成TiB2/Fe基復(fù)合材 料的方法，此種方法不僅工藝簡單，所需時(shí)間短，而且原位形成的TiB2表面潔凈無污染， 顆粒細(xì)小，在基體中分布均勻。本發(fā)明所述原位反應(yīng)生成TiB2/Fe基復(fù)合材料的方法，工藝步驟如下 (1)配料以鈦鐵粉和硼鐵粉，或鈦粉和硼鐵粉，或硼粉和鈦鐵粉，或鈦鐵粉、硼鐵粉和鐵粉， 鈦粉、硼鐵粉和鐵粉，或硼粉、鈦鐵粉和鐵粉，或鈦粉、硼粉和鐵粉為原料，根據(jù)原料 中鈦與硼的含量，按照生成TiB2的化學(xué)計(jì)量進(jìn)行配料；(2) 球磨將步驟(i)配備的原料進(jìn)行球磨，球料比至少為i : i,球磨時(shí)間以原料成為《微米級粒徑的混合粉體為限；(3) 燒結(jié)將球磨后的混合粉體裝入模具，然后放進(jìn)放電等離子體燒結(jié)設(shè)備或感應(yīng)燒結(jié)設(shè)備或 微波等離子體燒結(jié)設(shè)備中，在壓力至少為10MPa下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950°C~1300°C，保 溫時(shí)間至少為5秒鐘，即制得原位反應(yīng)生成的TiB2/Fe基復(fù)合材料。為了在燒結(jié)步驟使裝料簡化，可在上述方法的球磨步驟之后、燒結(jié)步驟之前增加預(yù) 壓步驟，所述預(yù)壓是將球磨后的混合粉體裝入預(yù)壓模具中加壓成型(壓力至少為10MPa， 時(shí)間至少為5秒鐘)，預(yù)壓模具的內(nèi)腔形狀和尺寸與燒結(jié)用模具的內(nèi)腔形狀和尺寸相同。球磨時(shí)為了防止原料氧化，可加入防止原料氧化的防氧化劑或通入防止原料氧化的 惰性氣體。防氧化劑為球磨過程中不與原料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液態(tài)有機(jī)物質(zhì)，優(yōu)選丙酮或 無水乙醇，丙酮或無水乙醇的加入量以淹沒磨球和原料為限。惰性氣體優(yōu)選氬氣或氦氣。本發(fā)明具有以下有益效果1、 本發(fā)明所述方法原位形成的TiB2表面潔凈無污染，顆粒細(xì)小，在基體中分布均 勻，有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高。2、 本發(fā)明所述方法采用放電等離子體燒結(jié)或感應(yīng)燒結(jié)或微波等離子體燒結(jié)，因而 可以大大縮短制備時(shí)間，節(jié)約能源，降低制備成本。3、 本發(fā)明所述方法簡單，原料易于獲取，便于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是用本發(fā)明所述方法制備的TiB2/Fe基復(fù)合材料的X射線衍射圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l本實(shí)施例以牌號為FeTi40-A的鈦鐵粉(含鈦41. 23 wt%)和牌號為FeB17C0.1的 硼鐵粉(含硼18.15 wt%)為原料，采用放電等離子體燒結(jié)，工藝步驟如下(1) 配料按照Ti與B的原子比為1 : 2進(jìn)行配料，稱取鈦鐵粉64. 2 g，硼鐵粉65. 8 g。(2) 球磨采用YMj-n型球磨機(jī)，將步驟(i)配備的原料放入不銹鋼球磨罐中，球料比為i : i，加入防氧化劑丙酮，丙酮的加入量以淹沒磨球和原料為限，球磨時(shí)間6小時(shí)。球磨結(jié)束后將球磨罐打開，待丙酮揮發(fā)后，將球磨后的混合粉料真空塑封備用。(3) 預(yù)壓稱取步驟(2)球磨后的混合粉料10g，放入①20的模具中，施加50MPa的壓力預(yù) 壓成型，時(shí)間為5秒鐘；(4) 燒結(jié)將步驟(3)預(yù)壓成型的坯料裝入①20的石墨模具，然后放進(jìn)放電等離子體燒結(jié)設(shè) 備(燒結(jié)設(shè)備為SPS-1050，日本助友石炭礦業(yè)株式會社制造)中，在壓力50MPa下，以 50°C/min的升溫速度將溫度升至95(TC保溫10分鐘后冷卻至室溫，即制得原位反應(yīng)生 成的TiB2/Fe基復(fù)合材料。實(shí)施例2本實(shí)施例以牌號為FeTi30-A的鈦鐵粉(含鈦26. 75 wt%)和牌號為FeB22C0.1的 硼鐵粉(含硼20.06 wt%)為原料，采用放電等離子體燒結(jié)，工藝步驟如下(1) 配料按照Ti與B的原子比為1 : 2進(jìn)行配料，稱取鈦鐵粉81.1 g，硼鐵粉48. 9 g。(2) 球磨采用YMJ-II型球磨機(jī)，將步驟(1)配備的原料放入不銹鋼球磨罐中，球料比為3 : 1， 加入防氧化劑無水乙醇，無水乙醇的加入量以淹沒磨球和原料為限，球磨時(shí)間l小時(shí)。 球磨結(jié)束后將球磨罐打開，待無水乙醇揮發(fā)后，將球磨后的混合粉料真空塑封備用。(3) 預(yù)壓稱取步驟(2)球磨后的混合粉料10g,放入①20的模具中，施加40MPa的壓力預(yù) 壓成型，時(shí)間為l分鐘；(4) 燒結(jié)將步驟(3)預(yù)壓成型的坯料裝入①20的石墨模具，然后放進(jìn)放電等離子體燒結(jié)設(shè) 備(燒結(jié)設(shè)備為SPS-1050，日本助友石炭礦業(yè)株式會社制造)中，在壓力30MPa下，以 80'C/min的升溫速度將溫度升至1050'C保溫5分鐘后冷卻至室溫，即制得原位反應(yīng)生 成的TiB2/Fe基復(fù)合材料，其X射線衍射圖如圖1所示。實(shí)施例3本實(shí)施例以工業(yè)鈦粉(含鈦97. 00 wt^)和牌號為FeB22C0. 1的硼鐵粉(含硼20. 06 wt%)為原料，采用放電等離子體燒結(jié)，工藝步驟如下(1) 配料按照Ti與B的原子比為1 : 2進(jìn)行配料，稱取鈦粉40. 8 g，硼鐵粉89. 2 g。(2) 球磨采用YMJ-II型球磨機(jī),將步驟(1)配備的原料放入不銹鋼球磨罐中，球料比為2 : 1， 向球磨罐中通入氬氣，通入量為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。球磨時(shí)間3小時(shí)，球磨結(jié)束后將球磨 罐打開，將球磨后的混合粉料真空塑封備用。(3) 燒結(jié)將步驟(2)球磨后的混合粉體稱取10g裝入O20的石墨模具，然后放進(jìn)放電等離 子體燒結(jié)設(shè)備(燒結(jié)設(shè)備為SPS-1050，日本助友石炭礦業(yè)株式會社制造)中，在壓力 30MPa下，以100'C/min的升溫速度將溫度升至IIOO'C保溫1分鐘后冷卻至室溫，即制 得原位反應(yīng)生成的TiB2/Fe基復(fù)合材料。實(shí)施例4本實(shí)施例以工業(yè)鈦粉(含鈦97. 00 wt%)、牌號為FeB22C0.1的硼鐵粉(含硼20. 06 wt%)和工業(yè)純鐵粉為原料，采用放電等離子體燒結(jié)，工藝步驟如下(1) 配料按照Ti與B的原子比為1 : 2進(jìn)行配料，稱取鈦粉27. 7 g，硼鐵粉60. 5 g、鐵粉 41.8 g。(2) 球磨采用YMJ-II型球磨機(jī),將步驟(1)配備的原料放入不銹鋼球磨罐中，球料比為3 : 1， 向球磨罐中通入氦氣，通入量為l個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。球磨時(shí)間2小時(shí)，球磨結(jié)束后將球磨 罐打開，將球磨后的混合粉料真空塑封備用。(3) 預(yù)壓稱取步驟(2)球磨后的混合粉料10g，放入0>20的模具中，施加10MPa的壓力預(yù) 壓成型，時(shí)間為2分鐘；(4) 燒結(jié)將步驟(3)預(yù)壓成型的坯料裝入O20的石墨模具，然后放進(jìn)放電等離子體燒結(jié)設(shè) 備(燒結(jié)設(shè)備為SPS-1050，日本助友石炭礦業(yè)株式會社制造)中，在壓力30MPa下，以 150°C/min的升溫速度將溫度升至1200。C保溫5秒鐘后冷卻至室溫，即制得原位反應(yīng)生 成的TiB2/Fe基復(fù)合材料。實(shí)施例5本實(shí)施例以牌號為FeTi30-A的鈦鐵粉(含鈦26.75wt%)和牌號為FeB22C0.1的硼鐵粉(含硼20.06 wt%)為原料，采用中頻感應(yīng)燒結(jié)，工藝步驟如下(1) 配料按照Ti與B的原子比為1 : 2進(jìn)行配料，稱取鈦鐵粉81. 1 g，硼鐵粉48. 9 g。(2) 球磨采用YMJ-n型球磨機(jī)，將步驟(l)配備的原料放入不銹鋼球磨罐中，球料比為3 : 1， 加入防氧化劑丙酮，丙酮的加入量以淹沒磨球和原料為限，球磨時(shí)間2小時(shí)。球磨結(jié)束 后將球磨罐打開，待丙酮揮發(fā)后，將球磨后的混合粉料真空塑封備用。(3) 預(yù)壓稱取步驟(2)球磨后的混合粉料10g，放入O20的模具中，施加40MPa的壓力預(yù) 壓成型，時(shí)間為l分鐘；(4) 燒結(jié)將步驟(3)預(yù)壓成型的坯料裝入O20的石墨模具，然后放進(jìn)中頻感應(yīng)燒結(jié)設(shè)備中， 在壓力40MPa下，以160°C/min的升溫速度將溫度升至125(TC保溫3分鐘后冷卻至室溫， 即制得原位反應(yīng)生成的TiB2/Fe基復(fù)合材料。實(shí)施例6本實(shí)施例以牌號為FeTi30-A的鈦鐵粉(含鈦26. 75 wt%)和牌號為FeB22C0.1的 硼鐵粉(含硼20.06 wt%)為原料，采用微波等離子體燒結(jié)，工藝步驟如下(1) 配料按照Ti與B的原子比為1 : 2進(jìn)行配料，稱取鈦鐵粉81.1 g,硼鐵粉48. 9 g。(2) 球磨采用YMJ-n型球磨機(jī)，將步驟(l)配備的原料放入不銹鋼球磨罐中，球料比為4 : 1， 加入防氧化劑無水乙醇，無水乙醇的加入量以淹沒磨球和原料為限，球磨時(shí)間1. 5小時(shí)。 球磨結(jié)束后將球磨罐打開，待無水乙醇揮發(fā)后，將球磨后的混合粉料真空塑封備用。(3) 預(yù)壓稱取步驟(2)球磨后的混合粉料10g,放入①20的模具中，施加40MPa的壓力預(yù) 壓成型，時(shí)間為l分鐘；(4) 燒結(jié)將步驟(3)預(yù)壓成型的坯料裝入020的石墨模具，然后放進(jìn)微波等離子體燒結(jié)設(shè) 備中，在壓力lOMPa下，以130°C/min的升溫速度將溫度升至1300'C保溫30秒鐘后冷 卻至室溫，即制得原位反應(yīng)生成的TiB2/Fe基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1、一種原位反應(yīng)生成TiB2/Fe基復(fù)合材料的方法，其特征在于工藝步驟如下(1)配料以鈦鐵粉和硼鐵粉，或鈦粉和硼鐵粉，或硼粉和鈦鐵粉，或鈦鐵粉、硼鐵粉和鐵粉，鈦粉、硼鐵粉和鐵粉，或硼粉、鈦鐵粉和鐵粉，或鈦粉、硼粉和鐵粉為原料，根據(jù)原料中鈦與硼的含量，按照生成TiB2的化學(xué)計(jì)量進(jìn)行配料；(2)球磨將步驟(1)配備的原料進(jìn)行球磨，球料比至少為1∶1，球磨時(shí)間以原料成為≤微米級粒徑的混合粉體為限；(3)燒結(jié)將球磨后的混合粉體裝入模具，然后放進(jìn)放電等離子體燒結(jié)設(shè)備或感應(yīng)燒結(jié)設(shè)備或微波等離子體燒結(jié)設(shè)備中，在壓力至少為10MPa下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950℃～1300℃，保溫時(shí)間至少為5秒鐘，即制得原位反應(yīng)生成的TiB2/Fe基復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位反應(yīng)生成TiB2/Fe基復(fù)合材料的方法，其特征在于在 球磨步驟之后、燒結(jié)步驟之前增加預(yù)壓步驟，所述預(yù)壓是將球磨后的混合粉體裝入預(yù)壓 模具中加壓成型，預(yù)壓模具的內(nèi)腔形狀和尺寸與燒結(jié)用模具的內(nèi)腔形狀和尺寸相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原位反應(yīng)生成TiB2/Fe基復(fù)合材料的方法，其特征在 于球磨時(shí)加入防止原料氧化的防氧化劑或通入防止原料氧化的惰性氣體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的原位反應(yīng)生成TiB2/Fe基復(fù)合材料的方法，其特征在于防 氧化劑為丙酮或無水乙醇，丙酮或無水乙醇的加入量以淹沒磨球和原料為限。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的原位反應(yīng)生成TiB2/Fe基復(fù)合材料的方法，其特征在于惰 性氣體為氬氣或氦氣。
全文摘要
一種原位反應(yīng)生成TiB₂/Fe基復(fù)合材料的方法，工藝步驟如下(1)配料，以鈦鐵粉和硼鐵粉，或鈦粉和硼鐵粉，或硼粉和鈦鐵粉，或鈦鐵粉、硼鐵粉和鐵粉，鈦粉、硼鐵粉和鐵粉，或硼粉、鈦鐵粉和鐵粉，或鈦粉、硼粉和鐵粉為原料，根據(jù)原料中鈦與硼的含量，按照生成TiB₂的化學(xué)計(jì)量進(jìn)行配料；(2)球磨，將步驟(1)配備的原料進(jìn)行球磨，球料比至少為1∶1，球磨時(shí)間以原料成為≤微米級粒徑的混合粉體為限；(3)燒結(jié)，將球磨后的混合粉體裝入模具，然后放進(jìn)放電等離子體燒結(jié)設(shè)備或感應(yīng)燒結(jié)設(shè)備或微波等離子體燒結(jié)設(shè)備中，在壓力至少為10MPa下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950℃～1300℃，保溫時(shí)間至少為5秒鐘。
文檔編號B22F3/12GK101403054SQ20081004654
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者林 何, 穎 劉, 卉 曹, 軍 李, 李兵紅, 高升吉 申請人:四川大學(xué)