一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，屬于新材料【技術(shù)領(lǐng)域】；先將增強(qiáng)顆粒與基體粉末置于球磨機(jī)中，使其能夠混合均勻，然后將混合后粉末置于石墨模具內(nèi)，然后放入放電等離子燒結(jié)(SPS)設(shè)備中，設(shè)定適宜的燒結(jié)參數(shù)，將燒結(jié)后試樣置于真空管式爐中設(shè)定加熱溫度，用以改善復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒與基體之間的結(jié)合界面，或者促使其發(fā)生界面反應(yīng)，該方法制備的復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒能夠很好的均勻分布在復(fù)合層內(nèi)部，大大改善材料的綜合性能，并且其組織均勻、單一，能從一定程度上改善其力學(xué)性能，為鋼材、冶金、煤炭等高溫耐磨領(lǐng)域、激冷激熱工況零件或者其他研究復(fù)合材料性能的研究者提供參考。
【專利說明】一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，屬于新材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的耐磨性能要求越來越高，冶金、礦山、建材、電力、化工、煤炭和農(nóng)業(yè)等部門分別要用到礦山機(jī)械、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和各種破碎粉磨機(jī)械，這些機(jī)械設(shè)備的易損件要受到砂石、礦石、土壤等各種物料和研磨體的磨損，每年要消耗大量金屬。復(fù)合材料由于是將兩種或以上據(jù)有不同特性的材料，通過物理或化學(xué)的方法將它們有機(jī)結(jié)合在一起，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，因此復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，且能滿足上述工況條件下的使用。近年來，對(duì)復(fù)合材料制備工藝的研究做了大量的工作，開發(fā)了多種工藝方法。這些工藝方法用于制造金屬?gòu)?fù)合材料時(shí)，取得了很好的效果。如SiC增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料制造活塞，使用壽命大幅度提高。但是由于傳統(tǒng)的鑄滲法制備的復(fù)合材料不可避免的會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部顆粒分布不均勻，材料內(nèi)部組織復(fù)雜，這必然會(huì)影響顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的使用范圍，如激冷激熱工況下由于顆粒不均勻?qū)е碌膰?yán)重?zé)釕?yīng)力誘發(fā)的裂紋。并且因?yàn)閮?nèi)部成分的復(fù)雜加大了學(xué)者研究復(fù)合材料的困難。
[0003]中國(guó)發(fā)明專利CN101053898A介紹了一種制備顆粒增強(qiáng)金屬基表層復(fù)合材料的真空實(shí)型鑄滲方法，這種方法是將增強(qiáng)顆粒制備成與復(fù)合材料所需耐磨表面形狀相適應(yīng)的預(yù)制塊，將其固定在需要合金化的泡沫材料模樣表面，然后按鑄造工藝造型并澆注。這種方法的缺點(diǎn)是泡沫產(chǎn)生的氣體及復(fù)合層中的粘結(jié)劑氣化產(chǎn)生的氣體使得材料內(nèi)部多出現(xiàn)無法避免的氣孔缺陷，無法生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，并且復(fù)合層內(nèi)的增強(qiáng)顆粒難以避免的產(chǎn)生分布均勻等現(xiàn)象，影響復(fù)合材料的使用壽命。中國(guó)發(fā)明專利CN1128297A公布了一種局部復(fù)合材料及其制造方法，其是將陶瓷 顆粒、有機(jī)粘結(jié)劑與普碳鋼基、耐熱鋼基或鎳基粉末混勻，壓制成所需形狀的預(yù)制塊，置于需強(qiáng)化的鑄件的鑄型局部，澆注金屬即可。這種方法制作的局部復(fù)合材料，易產(chǎn)生夾雜缺陷，并且復(fù)合層與基材金屬的界面結(jié)合效果相對(duì)較差，在受到?jīng)_擊作用下，會(huì)使復(fù)合層脫落而失去耐磨的作用。中國(guó)發(fā)明專利CN102513522A提供了一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)狀復(fù)合材料的制備方法，將陶瓷顆粒與合金粉末燒結(jié)成條狀塊，然后并接成網(wǎng)狀，然后澆注金屬成型即可。這種方法制成的局部復(fù)合材料，其復(fù)合層和基體的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較差，且制造過程復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟:將基體金屬粉末和增強(qiáng)顆粒置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，然后將混合粉末置于放電等離子燒結(jié)設(shè)備中在真空下進(jìn)行燒結(jié)，將燒結(jié)后試樣在真空或者惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行重熔，取出后即為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
[0005]本發(fā)明所述基體金屬為鑄鐵或鑄鋼，其粉末的粒徑為44~178 μ m，所述增強(qiáng)顆粒為三氧化二鋁、碳化硅、碳化鈦、硬質(zhì)陶瓷、碳化鎢中的一種或多種按任意比例混合，顆粒粒徑為150~630 μ m。
[0006]增強(qiáng)顆粒與基體體積比可根據(jù)需求設(shè)定，可根據(jù)需求制作表層復(fù)合材料、整體復(fù)合材料或局部復(fù)合材料，鑄鐵鑄鋼中的C或者其他元素可以先期加入Fe粉中，并通過長(zhǎng)時(shí)間球磨使其機(jī)械合金化。
[0007]本發(fā)明所述 球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為130 r/min~300 r/min,球磨時(shí)間為30~60 min ； 本發(fā)明所述燒結(jié)溫度約為基體金屬熔點(diǎn)的60%~80%，保溫時(shí)間為5~10 min，外加壓力為
8 kN~9.4 kN ；
本發(fā)明所述重熔溫度低于基體金屬熔點(diǎn)5(T200°C。
[0008]本發(fā)明的有益效果為:
(1)經(jīng)過球磨機(jī)混粉后的增強(qiáng)顆粒能夠很好的均勻分布在復(fù)合材料基材中，能夠成為良好的抗磨復(fù)合表層，并且因?yàn)槠漕w粒分布均勻，復(fù)合材料內(nèi)部組織單一、均勻，能夠很好的解決其在激冷激熱工況下的使用壽命，并為研究復(fù)合材料綜合性能提供參考；
(2)增強(qiáng)顆粒可根據(jù)工件的使用要求進(jìn)行配比，成分可調(diào)，適應(yīng)性廣；
(3)可以精確控制局部復(fù)合時(shí)增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)，整體復(fù)合時(shí)可以設(shè)置增強(qiáng)顆粒之間的間距，達(dá)到最優(yōu)使用效果，節(jié)約金屬；
(4)該方法制備的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，發(fā)揮了增強(qiáng)顆粒與基體的性能，調(diào)控方便，工藝可靠，解決了復(fù)合材料內(nèi)部增強(qiáng)顆粒分布不均勻?qū)ζ湫阅艿闹旅绊憽?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明所述實(shí)施實(shí)例I未經(jīng)重熔的金相圖；
圖2是本發(fā)明所述實(shí)施實(shí)例I經(jīng)過重熔的金相圖；
圖3是本發(fā)明所述實(shí)施實(shí)例2經(jīng)過重熔的金相圖；
圖4是本發(fā)明所述實(shí)施實(shí)例3經(jīng)過重熔的金相圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0011]實(shí)施例1
本實(shí)施例所述顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟:
(1)取含C量為1%的Fe-C粉末，F(xiàn)e-C粉末的粒徑為43_53μ m,按照碳化鎢顆粒和Fe-C粉末的體積比為1:1的比例稱取碳化鎢顆粒和Fe-C粉，其中碳化鎢顆粒的粒徑為180-250μ m，將其置于行星式球磨機(jī)中，設(shè)定其轉(zhuǎn)速為180 r/min，球磨30 min ；
(2)將粉末置于石墨模具中，設(shè)定放電等離子燒結(jié)(SPS)的燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)最高溫度950°C，外加壓力9.4 kN，保溫時(shí)間5 min，抽真空保護(hù)；
(3)將燒結(jié)后的試樣置于真空管式爐內(nèi)，通入氬氣保護(hù)，設(shè)定溫度為1340°C，取出后即為基體為珠光體的碳化鎢顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。
[0012]本實(shí)施例制備得到的碳化鎢顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的金相照片如圖2所示，與未重熔的碳化鎢顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料(金相照片如圖1所示)相比，可以看出碳化鎢顆粒周圍出現(xiàn)了明顯的界面反應(yīng)區(qū)，界面反應(yīng)區(qū)的出現(xiàn)改善了顆粒與基體之間的結(jié)合，增強(qiáng)了其熱疲勞性倉(cāng)泛。
[0013]將本實(shí)施例制備得到顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將試樣放入加熱到500 °C的熱處理爐中保溫5 min，然后丟入冷水中快速冷卻，計(jì)為一次熱震操作，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，未重熔試樣在熱震25次時(shí)，顆粒即發(fā)生部分脫落，而經(jīng)過重熔的試樣熱震35次未發(fā)生顆粒脫落。
[0014]實(shí)施例2
本實(shí)施例所述顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟:
(1)取粒徑為53-74μ m的Fe粉，按照碳化鎢顆粒和Fe粉的體積比為1:1的比例稱取碳化鎢顆粒和Fe粉，其中碳化鎢顆粒的粒徑為180-250 μ m，將其置于行星式球磨機(jī)中，設(shè)定其轉(zhuǎn)速為200 r/min,球磨60 min ；
(2)然后將混合粉末置于石墨模具中，然后置于放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度1000°C，保溫時(shí)間為6 min，外加壓力為8 kN，抽真空保護(hù)；
(3)將燒結(jié)后的試樣置于真空管式爐內(nèi)，通入氬氣保護(hù)，設(shè)定溫度為1400°C，取出后即為基體為鐵素體的碳化鎢顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，本實(shí)施例制備得到碳化鎢顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料其金相照片如圖3所示，制得的試樣組織均勻、單一，顆粒分布均勻。
[0015]將本實(shí)施例制備得到顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將試樣放入加熱到500°C的熱處理爐中保溫5 min，然后丟入冷水中快速冷卻，計(jì)為一次熱震操作，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，未重熔試樣在熱震28次時(shí)，顆粒即發(fā)生部分脫落，而經(jīng)過重熔的試樣熱震45次未發(fā)生顆粒脫落。
[0016]實(shí)施例3
本實(shí)施例所述顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟:
(1)取粒徑為74-178μ m的Fe粉，按照碳化鎢顆粒和Fe粉的體積比為1:1的比例稱取碳化鎢顆粒和Fe粉，其中碳化鎢顆粒的平均粒徑為180-250 μ m，，將其置于行星式球磨機(jī)中，設(shè)定其轉(zhuǎn)速為130 r/min,球磨40 min ；
(2)將Fe粉置于石墨模具底部，然后將球磨后的混合粉末置于石墨模具上部，然后置于放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度1050 °C，保溫時(shí)間為5 min左右，外加壓力為8.5kN，抽真空保護(hù)；
(3)將燒結(jié)后的試樣置于真空管式爐內(nèi)，抽真空保護(hù)，設(shè)定重熔溫度為1440°C，取出，即制得基體為鐵素體的碳化鎢顆粒增強(qiáng)表層復(fù)合材料，本實(shí)施例制備得到碳化鎢顆粒增強(qiáng)表層復(fù)合材料其金相照片如圖4所示，制得的試樣組織均勻、單一，顆粒分布均勻。
[0017]將本實(shí)施例制備得到顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將試樣放入加熱到500 °C的熱處理爐中保溫5 min，然后丟入冷水中快速冷卻，計(jì)為一次熱震操作，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，未重熔試樣在熱震28次時(shí)，顆粒即發(fā)生部分脫落，而經(jīng)過重熔的試樣熱震45次未發(fā)生顆粒脫落。
[0018]實(shí)施例4
本實(shí)施例所述顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟:
(I)取含C量為3%的Fe-C粉末，F(xiàn)e-C粉末的粒徑為42~48 μ m,按照碳化鈦顆粒和Fe-C粉末的體積比為1:1的比例稱取碳化鈦顆粒和Fe-C粉，其中碳化鈦顆粒粒徑為113~160μ m，將其置于行星式球磨機(jī)中，設(shè)定其轉(zhuǎn)速為300 r/min，球磨30 min ；(2)將粉末置于石墨模具中，設(shè)定放電等離子燒結(jié)(SPS)的燒結(jié)參數(shù)為:燒結(jié)最高溫度920°C，外加壓力9.4 kN，保溫時(shí)間10 min，抽真空保護(hù)；
(3)將燒結(jié)后的試樣置于真空管式爐內(nèi)，通入氬氣保護(hù)，設(shè)定溫度為1300°C，取出后即為基體為珠光體和滲碳體的碳化鈦顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，制得的試樣組織均勻、單一，顆粒分布均勻。
[0019]將本實(shí)施例制備得到顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將試樣放入加熱到500 °C的熱處理爐中保溫5 min，然后丟入冷水中快速冷卻，計(jì)為一次熱震操作，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，未重熔試樣在熱震24次時(shí)，顆粒即發(fā)生部分脫落，而經(jīng)過重熔的試樣熱震30次未發(fā)生顆粒脫落。
[0020]實(shí)施例5
本實(shí)施例所述顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟: (1)取含C量為6.5%的Fe-C粉末，F(xiàn)e-C粉末的粒徑為53~74 μ m，和粒徑為106~120μ m的碳化鈦顆粒置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，其中球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為100 r/min,球磨時(shí)間30min ；
(2)然后將混合粉末置于石墨模具中，然后置于放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000 °C，保溫時(shí)間為5 min，外加壓力為9.4 kN，抽真空保護(hù)；
(3)將燒結(jié)后的試樣置于真空管式爐內(nèi)，通入氬氣保護(hù)，設(shè)定溫度為1320°C，取出后即為碳化鈦顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，制得的試樣組織均勻、單一，顆粒分布均勻。
[0021]將本實(shí)施例制備得到顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將試樣放入加熱到500 °C的熱處理爐中保溫5 min，然后丟入冷水中快速冷卻，計(jì)為一次熱震操作，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，未重熔試樣在熱震20次時(shí)，顆粒即發(fā)生部分脫落，而經(jīng)過重熔的試樣熱震35次未發(fā)生顆粒脫落。
[0022]實(shí)施例6
本實(shí)施例所述顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟:
(1)取粒徑為53-74μ m的Fe粉和粒徑為500-630 μ m的碳化硅顆粒置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，其中球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為100 r/min,球磨時(shí)間30min ；
(2)然后將混合粉末置于石墨模具中，然后置于放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為980 °C，保溫時(shí)間為6 min，外加壓力為9.4 kN，抽真空保護(hù)；
(3)將燒結(jié)后的試樣置于真空管式爐內(nèi)，通入氬氣保護(hù)，設(shè)定溫度為1300°C，取出后即為碳化硅顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，制得的試樣組織均勻、單一，顆粒分布均勻。
[0023]將本實(shí)施例制備得到顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將試樣放入加熱到500 °C的熱處理爐中保溫5 min，然后丟入冷水中快速冷卻，計(jì)為一次熱震操作，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，未重熔試樣在熱震26次時(shí)，顆粒即發(fā)生部分脫落，而經(jīng)過重熔的試樣熱震36次未發(fā)生顆粒脫落。
【權(quán)利要求】
1.一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于經(jīng)過下列各步驟:將基體金屬粉末和增強(qiáng)顆粒置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，然后將混合粉末置于放電等離子燒結(jié)設(shè)備中在真空下進(jìn)行燒結(jié)，將燒結(jié)后試樣進(jìn)行重熔，取出后即為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:基體金屬為鑄鐵或鑄鋼，其粉末的粒徑為44~178 μ m，所述增強(qiáng)顆粒為三氧化二鋁、碳化硅、碳化鈦、硬質(zhì)陶瓷、碳化鎢中的一種或多種按任意比例混合，顆粒粒徑為150~630 μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為130 r/min~300 r/min，球磨時(shí)間為30~60 min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:燒結(jié)溫度為基體金屬熔點(diǎn)的60%~80%，保溫時(shí)間為5~10 min，外加壓力為8 kN~9.4 kN。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:重熔溫度低于基體金屬熔點(diǎn)5(T200 °C。
【文檔編號(hào)】C22C33/02GK103667851SQ201310669365
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】李祖來, 黃浩科, 蔣業(yè)華, 山泉 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)