复相TiC-Cr₇C₃陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法

专利名称：复相TiC-Cr₇C₃陶瓷颗粒梯度增强钢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，特别是涉及复相陶瓷颗粒梯度增强钢基复合 材料的制备方法。
背景技术：
钢基复合材料的增强方式主要有外加颗粒和内生颗粒，外加颗粒工艺复杂，价格昂贵， 且外加颗粒与基体润湿性、物理和化学相容性都比较差，会导致产生界面污染和接合不良， 形成界面反应层以及分布不均匀、易于偏聚于晶界等一系列难以克服的问题，因而增强效果 不理想。内生颗粒基本都是整体复合，因而基体钢的冲击韧性大大降低，从而在一定程度上 限制了钢基复合材料的推广和应用。因此，近年来梯度增强钢基复合材料的开发受到了人们 越来越多的重视。
由于TiC和Cr7C3陶瓷具有高硬度、高比模量、高熔点、热稳定性好等多种优良的综合 性能，因此，可作为典型的增强颗粒来强化钢基体制备钢基复合材料。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TiC陶瓷颗粒，制备局部增强钢基复合 材料；而专利200610038185.0中则采用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。由于A1粉在反应过程中容易汽化，因此在复合 材料制备过程中对于工艺要求严格，否则容易产生气孔。

发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、可靠，易于推广应用的复相TiC-Cr7C3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C粉，通过铸型内浇铸高温金属钢液诱发反应物 压坯的燃烧合成反应，形成原位TiC和Ci"7C3陶瓷颗粒，制备复相TiC-Cr7C3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55微米的Cr、 Ti和C粉组成，其比例按照体积分 数比l:3《TiC:Cr7C3《3:l;
b. 混料将上述配制好的Cr、 Ti和C粉装入球磨混料机中，混料6土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，压坯密度为压坯理
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士100 °C，烘 干除气4士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1550土5(TC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TiC和Cr7C3陶瓷增强颗粒，从而制备出原位TiC-Cr7C3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C粉原位反应形成TiC和Cr7C3陶瓷颗粒，通过复相增强 来提高铸件服役区域的硬度和耐磨性，而基体本身则保持其原有的韧性。此外，添加的Cr 粉既可以固溶于TiC形成(Ti,Cr)C，也可以固溶于基体，起到固溶强化作用。而且，本发明 利用铸型内燃烧合成方法，同时实现了钢基体和增强体的梯度复合连接，省掉了传统上依靠 焊接连接的步骤，简化了工艺。
1) 复相TiC-Cr7C3陶瓷增强，强化效果好；
2) 陶瓷颗粒通过化学反应原位形成，热力学稳定，与基体结合好；
3) 添加的Cr不仅可以参与反应形成Q"7C3陶瓷颗粒，还可以固溶于TiC形成(Ti，Cr)C 或者固溶于基体起到固溶强化作用。


图1复相TiC-Cr7C3陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料增强区域组织。
图2复相TiC-Cr7C3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。
具体实施例方式
实施例
分别取粒度小于55微米的Cr、 Ti和C粉作为反应物，其中粉料比例按体积比为 TiC:Cr7C3=l:3、 1:1和3:1。将上述配制好的粉料装入球磨混料机中混合均匀，然后压制成坯， 其密度为压坯理论密度的62土5 %;将压坯在真空炉中加热至40(TC除气4小时，然后置于 铸型型腔内铸件需要增强的特定区域，并将约160(TC的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TiC和Cr7C3陶瓷增强颗粒，从而制备出原位TiC-Cr7C3陶瓷 颗粒梯度增强钢基复合材料。
权利要求
1.一种复相TiC-Cr7C3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55微米的Cr、Ti和C粉组成，其比例按照体积分数比1∶3≤TiC∶Cr7C3≤3∶1；b.混料将上述配制好的Cr、Ti和C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，压坯密度为压坯理论密度的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1550±50℃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TiC和Cr7C3陶瓷增强颗粒，制备出原位TiC-Cr7C3陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料。
全文摘要
本发明涉及TiC-Cr₇C₃复相陶瓷颗粒梯度增强钢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增强的特定位置或区域，浇铸高温金属钢液诱发压坯的燃烧合成反应，原位形成TiC和Cr₇C₃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，又提高了服役区域的高硬度和耐磨损性能。陶瓷颗粒通过化学反应原位形成，热力学稳定，与基体结合好；此外，Cr还可以固溶于TiC形成(Ti，Cr)C或者固溶于钢基体，起到固溶强化作用。
文档编号C22C33/00GK101195888SQ200710300328
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者畅 刘, 姜启川, 荔 张, 张伟娜, 栋 李, 李世堂, 王慧远 申请人:吉林大学