专利名称：：复相混杂TiB<sub>2</sub>-TiC陶瓷颗粒梯度增强金属基复合材料的制备方法
技术领域：
：本发明涉及金属基复合材料的制备方法，特别是涉及复相混杂陶瓷颗粒梯度增强的钢基复合材料的制备方法。技术背景目前，陶瓷颗粒增强金属基复合材料多为整体强化。但是在很多场合下，并不要求材料整体都要进行颗粒增强。以挖掘机的铲齿和锻造所用的凸模模具为例挖掘机的伊齿，仅,产齿的尖部需要具有非常高的耐磨性，而铲齿裤部分则需要具有非常好的强韧性，以防使用过程中因早期断裂而失效；锻造所用的凸模模具，仅模具的头部需要具有非常高的抗磨性、抗热疲劳性和抗氧化性等，而模具的身部仅需要高的强韧性就可以满足工况的要求。此外，整体强化时陶瓷颗粒体积分数往往受到限制，随着体积分数的提高，金属液的流动性显著下降，当颗粒体积分数超过10~15%时，不利于浇注成型形状复杂的铸件；而且，整体强化成本较高，因为不需要颗粒增强的部分也进行了颗粒增强，浪费了大量昂贵的增强体。因此，梯度或局部增强金属基复合材料的开发受到人们越来越多的重视。梯度或局部增强金属基复合材料的制备工艺主要有外加法和原位反应法两种。外加法是将已经形成的陶瓷颗粒通过添加金属或有机粘结剂，混合均匀后压制成坯料，然后进一步制备复合材料。如专利95113785.9中将WC、A1203或SiC等陶瓷与粘结相混匀后制成所需形状的预制块，贴于需强化铸件的铸型局部，浇铸液体金属即获得局部复合材料。外加法的主要不足是增强颗粒表面易受污染，结合强度低，容易剥落。原位反应法中陶瓷颗粒通过化学反应形成，其优点是颗粒表面干净，与基体界面结合强度高。如专利02109101.3中采用A1、Ti和C粉制成预制块，在铸型内反应形成原位陶瓷颗粒TiC，制备局部增强钢基复合材料；专利200610038185.0中采用Ni、Al、Ti和C粉制成坯块，浇铸金属液后反应形成TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层；专利200610016778.7中将A1粉、Ti-Fe粉和C粉混合制成预制块，通过浇铸金属钢液制备TiC颗粒局部增强钢基复合材料。由于A1粉在反应过程中容易汽化，会导致复合材料中形成气孔，从而不能充分发挥复合材料的潜力。
发明内容本发明的目的是提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的复相混杂陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法。本发明的技术方案是采用Cr、Ti和B4C粉，通过铸型内浇铸高温金属钢液引燃反应物压坯的燃烧合成反应，形成原位TiB2和TiC陶瓷颗粒，制备复相混杂TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料。具体工艺过程包括反应物压坯的制备和铸型型腔内的燃烧合成反应原位形成陶瓷增强颗粒两个阶段1)反应物压坯的制备a.压坯组成压坯由粉料粒度小于50微米的Cr、Ti和B4C粉组成，其中Cr粉的含量为5%《Cr《50%，B4C粉和Ti粉的比例按摩尔比为TiB2:TiC=2:l，b.混料将上述配制好的Cr、Ti和B4C粉装入球磨混料机中，混料6士1小时，使之混合均匀，c.压制成型把混合均匀的粉体放入模具中，在室温下压制成坯，压坯紧实率为压坯理论密度的62±5%;2)原位陶瓷增强颗粒的形成a.预处理将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至350土100'C，烘干除气4土1小时，b.原位陶瓷增强颗粒的形成将预处理后的压坯置于铸型型腔内铸件需要增强的特定区域或位置，随后将1520士80'C高温金属钢液浇注到铸型内，引燃压坯内的燃烧合成反应，形成TiB2和TiC陶瓷增强颗粒，从而制备出原位TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料。本发明与目前已有的技术相比具有以下特点本发明提供一种工艺简单、可靠，且易于推广应用的复相混杂陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法，即采用Cr、Ti和B4C粉反应形成原位TiB2和TiC陶瓷颗粒，通过复相混杂增强来提高铸件服役区域或位置的硬度和耐磨性，而基体材料本身则保持其原有的韧性。此外，添加的Cr粉在反应后既可以作为合金元素固溶于基体进行合金强化，也可以固溶于TiC形成(Ti,Cr)C。1)复相TiB2-TiC混杂增强，强化效果好；2)陶瓷颗粒反应形成，表面洁净，尺寸细小，形状规整，TiC为近球形，TiB2为六棱柱状；3)添加的Cr既可以作为合金元素固溶于基体进行合金强化，也可以固溶于TiC形成(Ti,Cr)C。图l(a)采用压坯组成为30%Cr(~48微米)-Ti(15微米)-B4C(3.5微米)制备的复相混杂陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料增强区域背散射扫描组织图l(b)采用压坯组成为30%Cr(~48微米)-Ti(15微米)-B4C(40微米)制备的复相混杂陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料增强区域背散射扫描组织图2(a)采用压坯组成为30%Cr(48微米)-Ti(15微米)-B4C(3.5微米)制备的复相混杂陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料增强区域X射线衍射分析图2(b)采用压坯组成为30%Cr(~48微米)-Ti(15微米)-84<:(~40微米)制备的复相混杂陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料增强区域X射线衍射分析具体实施方式利用本发明制备的复相混杂TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料，在保持基体合金材料本身具有的韧性的同时，梯度增强区域的耐磨损性能得到了明显提高。以45#钢为基体，通过高温金属钢液诱发铸型内压坯的燃烧合成反应，制备了复相混杂TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料，具体制备参数和性能数据如表1所示。由于陶瓷颗粒TiB2和TiC通过化学反应形成，表面洁净，与基体界面结合强度高；尺寸细小，形状规整，TiC为近球形，TiB2为六棱柱状，陶瓷体积分数高，具有良好的生产和市场应用前景与潜力。表1复相混杂TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料制备参数与性能数据<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>权利要求1.一种复相混杂TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于工艺过程包括反应物压坯的制备和铸型型腔内的燃烧合成反应原位形成陶瓷增强颗粒两个阶段1)反应物压坯的制备a.压坯组成压坯由粉料粒度小于50微米的Cr、Ti和B4C粉组成，其中Cr粉的含量为5％≤Cr≤50％，B4C粉和Ti粉的比例按摩尔比为TiB2∶TiC＝2∶1，b.混料将上述配制好的Cr、Ti和B4C粉装入球磨混料机中，混料6±1小时，使之混合均匀，c.压制成型把混合均匀的粉体放入模具中，在室温下压制成坯，压坯紧实率为压坯理论密度的62±5％；2)原位陶瓷增强颗粒的形成a.预处理将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至350±100℃，烘干除气4±1小时，b.原位陶瓷增强颗粒的形成将预处理后的压坯置于铸型型腔内铸件需要增强的特定区域或位置，随后将1520±80℃高温金属钢液浇注到铸型内，引燃压坯内的燃烧合成反应，形成TiB2和TiC陶瓷增强颗粒，从而制备出原位TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料。2.根据权利要求1所述的复相混杂TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于所说反应物压坯中Cr粉的最佳含量为10%《Cr《40%。全文摘要复相混杂TiB<sub>2</sub>-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法涉及陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法。具体工艺包括反应物压坯的制备和铸型型腔内的燃烧合成反应两个阶段1)采用Cr、Ti和C粉作为反应物，按照一定比例混合均匀，压制成坯；2)将经过预处理后的反应物压坯放置于铸型内铸件需要强化的特定位置或区域，浇铸高温金属钢液诱发压坯的燃烧合成反应，原位形成TiB<sub>2</sub>和TiC复相混杂陶瓷增强颗粒。从而既保证了金属基体本身的韧性，又提高了服役区域或位置的高硬度和耐磨损性能。由于陶瓷颗粒反应形成，其表面洁净，尺寸细小，形状规整；此外，添加的Cr还可以起到固溶强化作用。本发明工艺简单可靠，易于推广应用。文档编号B22D19/08GK101161374SQ20071005635公开日2008年4月16日申请日期2007年11月27日优先权日2007年11月27日发明者姜启川,荔张,李世堂,敏查,王慧远申请人:吉林大学