專利名稱：TiC/TiB₂雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料的制備方法，特別涉及TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng) 錳鋼復(fù)合材料的制備方法。
技術(shù)背景隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，迫切需要能在高溫、高速和劇烈磨損工況下長(zhǎng)壽命工作的結(jié)構(gòu)件， 單純鋼鐵材料制備的結(jié)構(gòu)件越來(lái)越難以滿足現(xiàn)化工業(yè)長(zhǎng)壽命、高效率工作的需求。因而開(kāi)發(fā) 新型耐磨材料，提高耐磨材料的使用壽命和降低其制造成本是國(guó)內(nèi)外研究和生產(chǎn)部門(mén)急需解 決的重要課題，并具有重大的國(guó)民經(jīng)濟(jì)意義。提高金屬材料耐磨性十分有效的途徑之一就是 制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于把陶瓷增強(qiáng)相的高強(qiáng) 度、高硬度、高耐磨性與金屬基體的高延展性、高韌性結(jié)合在一起，可提供傳統(tǒng)單一材料所 不具備的強(qiáng)、韌結(jié)合的優(yōu)良的綜合性能，較好地解決硬度和韌性的矛盾。陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)一般分為外加顆粒法與內(nèi)生顆粒法兩類，其中 原位內(nèi)生陶瓷顆粒具有與基體的界面干凈，潤(rùn)濕性好，結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，因此倍受關(guān)注。 但是，目前傳統(tǒng)的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料一般均為整體增強(qiáng)(中國(guó)專利，專利號(hào)ZL 981018卯.4)，都不能解決在一個(gè)零件中耐磨性與強(qiáng)韌性這一對(duì)難以解決的致命矛盾，即磨 損部位應(yīng)有高的耐磨性，基體(非磨損部位)為了承受不同的載荷而需要高的強(qiáng)韌性(因有 顆粒存在時(shí)韌性降低)，因此，陶瓷顆粒局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料成為復(fù)合材料領(lǐng)域研究的熱 點(diǎn)。對(duì)于陶瓷顆粒局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料在以往的發(fā)明專利和研究中，多數(shù)采用單一陶瓷顆 粒增強(qiáng)(中國(guó)專利，專利號(hào)ZL 02109101.3)。因此，采用Cu-Ti-B4C體系自蔓延反應(yīng)合成 法與傳統(tǒng)鑄造法相結(jié)合制備TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的工藝被提出， 這種工藝解決了顆粒體積分?jǐn)?shù)超10%金屬液流動(dòng)性顯著下降，難以澆注成型形狀復(fù)雜的鑄件 的難題，又降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，制備TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料 比單一陶瓷顆粒增強(qiáng)更具有良好的綜合性能。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的采用單一陶瓷顆粒增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法存在的 缺欠，提供一種TiC/TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法。 本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)將Cu-Ti-B4C體系的反應(yīng)物按比例配好并混合均勻，在室溫下壓制成預(yù)制塊，將預(yù)制塊 經(jīng)過(guò)真空除氣后放置在鑄型內(nèi)，依靠澆入鑄型內(nèi)錳鋼鋼液的高溫引燃Cu-Ti-B4C預(yù)制塊自蔓 延反應(yīng)合成TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒增強(qiáng)相，從而制備出TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒局部增 強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料，其特征在于工藝過(guò)程包括反應(yīng)預(yù)制塊的制備和型內(nèi)自蔓延原位反應(yīng)合成兩個(gè)階段-1、 反應(yīng)預(yù)制塊的制備a. 配料Cu-Ti-B4C體系預(yù)制塊由Cu粉、Ti粉和B4C粉組成，其中，Cu質(zhì)量百分比為 10~60， Ti和B4C的摩爾比為T(mén)i: B4C=3: 1，粉末粒度為3.5 50微米；b. 混料將上述配制好的粉料放入低速混料機(jī)中，混合6 8小時(shí)，混合均勻；C.壓制成型把混合均勻的粉料放入模具中，在室溫下壓制成預(yù)制塊，預(yù)制塊緊實(shí)率為75±5%;d.預(yù)制塊的真空除氣處理將壓制好的預(yù)制塊放入低真空加熱裝置內(nèi)，以15 35。C/分 鐘的加熱速率加熱至200 400。C，除氣2 4小時(shí)；2、 型內(nèi)自蔓延原位反應(yīng)合成TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒a. 錳鋼鋼液要求為了能夠引燃預(yù)制塊發(fā)生自蔓延高溫反應(yīng)合成TiC和TiB2雙相陶瓷顆 粒，鋼液溫度保證在1450。C以上；b. 預(yù)制塊在鑄型內(nèi)的放置在鑄件需增強(qiáng)的部位放置己真空除氣處理的Cu-Ti-B4C預(yù)制塊；c. 澆注錳鋼鋼液，利用鋼液的高溫引燃Cu-Ti-B4C預(yù)制塊自蔓延反應(yīng)，制備TiC和TiB2 雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。本發(fā)明具有以下幾方面顯著的積極效果1. 選用TiC和TiB2雙相陶瓷作為增強(qiáng)體。本工藝選取錳鋼作為基體，硬度較高的TiC 和TiB2雙相陶瓷作為增強(qiáng)顆粒，制備出TiC和TiB2雙相陶瓷增強(qiáng)的錳鋼復(fù)合材料比單一陶 瓷顆粒增強(qiáng)更具有良好的綜合性能；2. 本工藝將金屬液內(nèi)原位自蔓延反應(yīng)合成法與鑄造法相結(jié)合制備TiC和TiB2雙相陶瓷 顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料，較好地解決了增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)受到限制的難題，可直接鑄造 出大尺寸的、形狀復(fù)雜的、局部高顆粒體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)的錳鋼復(fù)合材料的鑄件。同時(shí)，該工藝 解決了陶瓷顆粒整體增強(qiáng)時(shí)顆粒的浪費(fèi)問(wèn)題，降低了成本；3. 在局部增強(qiáng)區(qū)域采用Cu-Ti-B4C預(yù)制塊的自蔓延反應(yīng)合成TiC和TiB2雙相陶瓷增強(qiáng) 相，其中Cu的加入不但降低了合成TiC和TiB2陶瓷增強(qiáng)顆粒的反應(yīng)溫度，使反應(yīng)更容易進(jìn) 行，而且在基體錳鋼中Cu的存在可以抑制碳化物在晶界上的析出。


圖l預(yù)制塊在鑄型內(nèi)放置的示意圖；圖2 10wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)的微觀 如招.>且、，圖3 10wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)的X 射線衍射分析；圖4 10wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料基體與增強(qiáng)區(qū) 的過(guò)渡界面；圖5 30wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)的微觀 組織；圖6 30wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)的X 射線衍射分析；圖7 30wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料基體與增強(qiáng)區(qū) 的過(guò)渡界面。圖中A-增強(qiáng)區(qū)(例如炊事破碎機(jī)錘頭的端部)B-預(yù)制塊 C-錳鋼基體基體(例如 炊事破碎機(jī)錘頭的非磨損部分-錘柄)D-鑄型 E-內(nèi)澆口 F-澆口向鑄型澆入鋼液的 澆口具體實(shí)施方式
實(shí)施例110wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。 將Cu粉(粒度小于45微米)，Ti粉(粒度小于38微米)和B4C粉(粒度小于3.5微米)按 Ti和B4C的摩爾比為T(mén)i: B4C=3: 1， Cu含量為10wt.。/。的比例進(jìn)行配比，將上述配制好的粉料 放入低速混料機(jī)中，混合6小時(shí)，在室溫下壓制成O22xl0mm的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊 緊實(shí)率為75±5%;將壓制好的Cu-Ti-B4C預(yù)制塊放入低真空加熱裝置內(nèi)，以15。C/分鐘的加熱 速率加熱至200。C，進(jìn)行真空除氣2小時(shí)；將反應(yīng)預(yù)制塊取出放置在鑄型中鑄件需要增強(qiáng)的部 位。基體為錳鋼(化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C， 0.5 1.5， Mn， 5.0 25.0， Si<1.0， P<0.1， SO.l)， 錳鋼鋼液澆入鑄型內(nèi)，依靠錳鋼鋼液的高溫，點(diǎn)燃放置在型內(nèi)的預(yù)制塊，發(fā)生自蔓延反應(yīng)， 從而制備出TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料，其增強(qiáng)區(qū)的微觀組織和XRD分 析如圖2和圖3所示，基體與增強(qiáng)區(qū)的過(guò)渡界面如圖4所示。制備出的TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒 局部增強(qiáng)區(qū)的硬度和耐磨性得到了很大提高，見(jiàn)表l。表1復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)和基體的硬度與耐磨性材料基體局部增強(qiáng)區(qū) (Cu含量，wt.%)102030405060硬度(HRC) <20 50.2 48.9 48.5 45.8 40.6 38.3體積磨損量(10-1()m3/m) 3.4 1.2 1.1 0.9 1.4 2.0 2,4/t:,1頭則M z30wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。 將Cu粉(粒度小于45微米)，Ti粉(粒度小于28微米)和B4C粉(粒度小于3.5微米)按 Ti和B4C的摩爾比為T(mén)i: B4C=3: 1， Cu含量為30wt。/。的比例進(jìn)行配比，將上述配制好的粉料 放入低速混料機(jī)中，混合7小時(shí)，在室溫下壓制成(D22xl0mm的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊緊實(shí)率為75±5%;將壓制好的Cu-Ti-B4C預(yù)制塊放入低真空加熱裝置內(nèi)，以25°(3/分鐘的加熱 速率加熱至300OC，進(jìn)行真空除氣3小時(shí)；將反應(yīng)預(yù)制塊取出放置在鑄型中鑄件需要增強(qiáng)的部 位?；w為錳鋼(化學(xué)成分質(zhì)量百分比為:C， 0.6-1.4， Mn， 6.0-20.0， Si<1.0， P<0.1， SO.l)， 錳鋼鋼液澆入鑄型內(nèi)，依靠錳鋼鋼液的高溫，點(diǎn)燃放置在型內(nèi)的預(yù)制塊，發(fā)生自蔓延反應(yīng)， 從而制備出TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料，其增強(qiáng)區(qū)的微觀組織和XRD分 析如圖5和圖6所示，基體與增強(qiáng)區(qū)的過(guò)渡界面如圖7所示。 實(shí)施例360wt.%Cu-Ti-B4C體系制備的TiC和TiB2顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。 將Cu粉(粒度小于45微米)，Ti粉(粒度小于25微米)和B4C粉(粒度小于45微米)按 Ti和B4C的摩爾比為T(mén)i: B4C=3: 1， Cu含量為60wt。/。的比例進(jìn)行配比，將上述配制好的粉料 放入低速混料機(jī)中，混合8小時(shí)，在室溫下壓制成O22^10mm的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊 緊實(shí)率為75±5%;將壓制好的Cu-Ti-B4C預(yù)制塊放入低真空加熱裝置內(nèi)，以35。C/分鐘的加熱 速率加熱至400。C，進(jìn)行真空除氣4小時(shí)；將反應(yīng)預(yù)制塊取出放置在鑄型中鑄件需要增強(qiáng)的部 位?；w為錳鋼(化學(xué)成分質(zhì)量百分比為:C, 0.7-1.3， Mn， 7.0-13.0， Si<1.0， P<0.1， SO.l)， 錳鋼鋼液澆入鑄型內(nèi)，依靠錳鋼鋼液的高溫，點(diǎn)燃放置在型內(nèi)的預(yù)制塊，發(fā)生自蔓延反應(yīng)， 從而制備出TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1、一種TiC/TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于工藝過(guò)程包括反應(yīng)預(yù)制塊的制備和型內(nèi)自蔓延原位反應(yīng)合成兩個(gè)階段反應(yīng)預(yù)制塊的制備a.配料Cu-Ti-B4C體系預(yù)制塊由Cu粉、Ti粉和B4C粉組成，其中，Cu質(zhì)量百分比為10～60，Ti和B4C的摩爾比為T(mén)i∶B4C＝3∶1，粉末粒度為3.5～50微米；b.混料將上述配制好的粉料放入低速混料機(jī)中，混合6～8小時(shí)，混合均勻；c.壓制成型把混合均勻的粉料放入模具中，在室溫下壓制成預(yù)制塊，預(yù)制塊緊實(shí)率為75±5％；d.預(yù)制塊的真空除氣處理將壓制好的預(yù)制塊放入低真空加熱裝置內(nèi)，以15～35℃/分鐘的加熱速率加熱至200～400℃，除氣2～4小時(shí)；型內(nèi)自蔓延原位反應(yīng)合成TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒a.錳鋼鋼液要求為了能夠引燃預(yù)制塊發(fā)生自蔓延高溫反應(yīng)合成TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒，鋼液溫度保證在1450℃以上；b.預(yù)制塊在鑄型內(nèi)的放置在鑄件需增強(qiáng)的部位放置已真空除氣處理的Cu-Ti-B4C預(yù)制塊；c.澆注錳鋼鋼液，利用鋼液的高溫引燃Cu-Ti-B4C預(yù)制塊自蔓延反應(yīng)，制備TiC和TiB2雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將Cu-Ti-B₄C體系在鋼液內(nèi)自蔓延反應(yīng)與傳統(tǒng)鑄造法相結(jié)合的TiC/TiB₂雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法，其制備過(guò)程包括在鑄件需增強(qiáng)的部位放置已抽真空除氣處理的Cu-Ti-B₄C預(yù)制塊，澆注錳鋼鋼液，依靠澆入鋼液的高溫點(diǎn)燃Cu-Ti-B₄C預(yù)制塊制備TiC和TiB₂雙相陶瓷顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。此工藝制備的錳鋼復(fù)合材料基體與增強(qiáng)區(qū)結(jié)合良好，且比單一陶瓷顆粒增強(qiáng)具有更好的綜合性能，同時(shí)，局部增強(qiáng)的機(jī)械部件既具有高強(qiáng)韌性的基體，又具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、抗高溫疲勞與氧化的工作部位，可廣泛適用于沖擊磨粒磨損工況條件下服役的各類抗磨部件。
文檔編號(hào)B22D19/02GK101214540SQ20081005021
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月7日
發(fā)明者姜啟川, 楊亞鋒, 梁云虹, 王慧遠(yuǎn), 趙如意 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)