原位反应生成TiB₂/Fe基复合材料的方法

专利名称：原位反应生成TiB₂/Fe基复合材料的方法
技术领域：
本发明属于Fe基复合材料的制备方法，特别涉及一种以TiB2为强化相的Fe基复合 材料的制备方法。
背景技术：
TiB2是过渡族金属元素Ti和B的唯一稳定化合物，相互以共价键结合，其晶格 结构为密排六方结构，硼原子面和钛原子面交替出现，其中硼原子以共价键结合形成二 维网络结构，另含有很大部分类金属键，这使得它具有特殊的物理化学性能，是一种极 为稳定的超硬陶瓷材料。TiB2硬度高，仅次于金刚石、立方BN和BX，熔点高达3225 °C，不但耐高温、耐磨损、耐腐蚀，而且具有良好的导电导热性能。因此，TiB2倍受关 注。传统的制备TiB2/金属基复合材料的方法主要为粉末冶金法和熔炼法。粉末冶金法 是将金属粉末和陶瓷粉末混合后，压制成型，然后在一定温度下保温烧结得到TiB2/金 属基复合材料，该法制得的TiB2/金属基复合材料不仅存在一定的孔隙，而且在制备过 程中存在强化相TiB2与金属基体间的界面污染问题，且烧结时间较长，能耗高。熔炼法 是先将金属材料熔化，然后将TiB2加入到液态金属中，该法不仅存在TiB2分布不均匀的 问题，而且也存在界面污染问题，影响TiB2的增强效果。此外，由于TiB2/铁基复合材 料具有优良的耐磨性能，也有采用激光熔覆等表面处理技术在铁基体表面生成TiB2耐磨 涂层的报道，但表面处理技术存在工艺复杂，涂层厚度有限，且与基体结合不牢等问题，. 所制备的TiB2/Fe基复合材料存在使用过程中易脱落，微观组织、性能不均匀，成分偏 析，熔覆区残余应力大，易产生裂纹等缺陷。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原位反应生成TiB2/Fe基复合材 料的方法，此种方法不仅工艺简单，所需时间短，而且原位形成的TiB2表面洁净无污染， 颗粒细小，在基体中分布均匀。本发明所述原位反应生成TiB2/Fe基复合材料的方法，工艺步骤如下 (1)配料以钛铁粉和硼铁粉，或钛粉和硼铁粉，或硼粉和钛铁粉，或钛铁粉、硼铁粉和铁粉， 钛粉、硼铁粉和铁粉，或硼粉、钛铁粉和铁粉，或钛粉、硼粉和铁粉为原料，根据原料 中钛与硼的含量，按照生成TiB2的化学计量进行配料；(2) 球磨将步骤(i)配备的原料进行球磨，球料比至少为i : i,球磨时间以原料成为《微米级粒径的混合粉体为限；(3) 烧结将球磨后的混合粉体装入模具，然后放进放电等离子体烧结设备或感应烧结设备或 微波等离子体烧结设备中，在压力至少为10MPa下烧结，烧结温度为950°C~1300°C，保 温时间至少为5秒钟，即制得原位反应生成的TiB2/Fe基复合材料。为了在烧结步骤使装料简化，可在上述方法的球磨步骤之后、烧结步骤之前增加预 压步骤，所述预压是将球磨后的混合粉体装入预压模具中加压成型(压力至少为10MPa， 时间至少为5秒钟)，预压模具的内腔形状和尺寸与烧结用模具的内腔形状和尺寸相同。球磨时为了防止原料氧化，可加入防止原料氧化的防氧化剂或通入防止原料氧化的 惰性气体。防氧化剂为球磨过程中不与原料发生化学反应的液态有机物质，优选丙酮或 无水乙醇，丙酮或无水乙醇的加入量以淹没磨球和原料为限。惰性气体优选氩气或氦气。本发明具有以下有益效果1、 本发明所述方法原位形成的TiB2表面洁净无污染，颗粒细小，在基体中分布均 匀，有利于复合材料力学性能的提高。2、 本发明所述方法采用放电等离子体烧结或感应烧结或微波等离子体烧结，因而 可以大大縮短制备时间，节约能源，降低制备成本。3、 本发明所述方法简单，原料易于获取，便于工业化生产。


图1是用本发明所述方法制备的TiB2/Fe基复合材料的X射线衍射图。
具体实施方式
实施例l本实施例以牌号为FeTi40-A的钛铁粉(含钛41. 23 wt%)和牌号为FeB17C0.1的 硼铁粉(含硼18.15 wt%)为原料，采用放电等离子体烧结，工艺步骤如下(1) 配料按照Ti与B的原子比为1 : 2进行配料，称取钛铁粉64. 2 g，硼铁粉65. 8 g。(2) 球磨采用YMj-n型球磨机，将步骤(i)配备的原料放入不锈钢球磨罐中，球料比为i : i，加入防氧化剂丙酮，丙酮的加入量以淹没磨球和原料为限，球磨时间6小时。球磨结束后将球磨罐打开，待丙酮挥发后，将球磨后的混合粉料真空塑封备用。(3) 预压称取步骤(2)球磨后的混合粉料10g，放入①20的模具中，施加50MPa的压力预 压成型，时间为5秒钟；(4) 烧结将步骤(3)预压成型的坯料装入①20的石墨模具，然后放进放电等离子体烧结设 备(烧结设备为SPS-1050，日本助友石炭矿业株式会社制造)中，在压力50MPa下，以 50°C/min的升温速度将温度升至95(TC保温10分钟后冷却至室温，即制得原位反应生 成的TiB2/Fe基复合材料。实施例2本实施例以牌号为FeTi30-A的钛铁粉(含钛26. 75 wt%)和牌号为FeB22C0.1的 硼铁粉(含硼20.06 wt%)为原料，采用放电等离子体烧结，工艺步骤如下(1) 配料按照Ti与B的原子比为1 : 2进行配料，称取钛铁粉81.1 g，硼铁粉48. 9 g。(2) 球磨采用YMJ-II型球磨机，将步骤(1)配备的原料放入不锈钢球磨罐中，球料比为3 : 1， 加入防氧化剂无水乙醇，无水乙醇的加入量以淹没磨球和原料为限，球磨时间l小时。 球磨结束后将球磨罐打开，待无水乙醇挥发后，将球磨后的混合粉料真空塑封备用。(3) 预压称取步骤(2)球磨后的混合粉料10g,放入①20的模具中，施加40MPa的压力预 压成型，时间为l分钟；(4) 烧结将步骤(3)预压成型的坯料装入①20的石墨模具，然后放进放电等离子体烧结设 备(烧结设备为SPS-1050，日本助友石炭矿业株式会社制造)中，在压力30MPa下，以 80'C/min的升温速度将温度升至1050'C保温5分钟后冷却至室温，即制得原位反应生 成的TiB2/Fe基复合材料，其X射线衍射图如图1所示。实施例3本实施例以工业钛粉(含钛97. 00 wt^)和牌号为FeB22C0. 1的硼铁粉(含硼20. 06 wt%)为原料，采用放电等离子体烧结，工艺步骤如下(1) 配料按照Ti与B的原子比为1 : 2进行配料，称取钛粉40. 8 g，硼铁粉89. 2 g。(2) 球磨采用YMJ-II型球磨机,将步骤(1)配备的原料放入不锈钢球磨罐中，球料比为2 : 1， 向球磨罐中通入氩气，通入量为1个标准大气压。球磨时间3小时，球磨结束后将球磨 罐打开，将球磨后的混合粉料真空塑封备用。(3) 烧结将步骤(2)球磨后的混合粉体称取10g装入O20的石墨模具，然后放进放电等离 子体烧结设备(烧结设备为SPS-1050，日本助友石炭矿业株式会社制造)中，在压力 30MPa下，以100'C/min的升温速度将温度升至IIOO'C保温1分钟后冷却至室温，即制 得原位反应生成的TiB2/Fe基复合材料。实施例4本实施例以工业钛粉(含钛97. 00 wt%)、牌号为FeB22C0.1的硼铁粉(含硼20. 06 wt%)和工业纯铁粉为原料，采用放电等离子体烧结，工艺步骤如下(1) 配料按照Ti与B的原子比为1 : 2进行配料，称取钛粉27. 7 g，硼铁粉60. 5 g、铁粉 41.8 g。(2) 球磨采用YMJ-II型球磨机,将步骤(1)配备的原料放入不锈钢球磨罐中，球料比为3 : 1， 向球磨罐中通入氦气，通入量为l个标准大气压。球磨时间2小时，球磨结束后将球磨 罐打开，将球磨后的混合粉料真空塑封备用。(3) 预压称取步骤(2)球磨后的混合粉料10g，放入0>20的模具中，施加10MPa的压力预 压成型，时间为2分钟；(4) 烧结将步骤(3)预压成型的坯料装入O20的石墨模具，然后放进放电等离子体烧结设 备(烧结设备为SPS-1050，日本助友石炭矿业株式会社制造)中，在压力30MPa下，以 150°C/min的升温速度将温度升至1200。C保温5秒钟后冷却至室温，即制得原位反应生 成的TiB2/Fe基复合材料。实施例5本实施例以牌号为FeTi30-A的钛铁粉(含钛26.75wt%)和牌号为FeB22C0.1的硼铁粉(含硼20.06 wt%)为原料，采用中频感应烧结，工艺步骤如下(1) 配料按照Ti与B的原子比为1 : 2进行配料，称取钛铁粉81. 1 g，硼铁粉48. 9 g。(2) 球磨采用YMJ-n型球磨机，将步骤(l)配备的原料放入不锈钢球磨罐中，球料比为3 : 1， 加入防氧化剂丙酮，丙酮的加入量以淹没磨球和原料为限，球磨时间2小时。球磨结束 后将球磨罐打开，待丙酮挥发后，将球磨后的混合粉料真空塑封备用。(3) 预压称取步骤(2)球磨后的混合粉料10g，放入O20的模具中，施加40MPa的压力预 压成型，时间为l分钟；(4) 烧结将步骤(3)预压成型的坯料装入O20的石墨模具，然后放进中频感应烧结设备中， 在压力40MPa下，以160°C/min的升温速度将温度升至125(TC保温3分钟后冷却至室温， 即制得原位反应生成的TiB2/Fe基复合材料。实施例6本实施例以牌号为FeTi30-A的钛铁粉(含钛26. 75 wt%)和牌号为FeB22C0.1的 硼铁粉(含硼20.06 wt%)为原料，采用微波等离子体烧结，工艺步骤如下(1) 配料按照Ti与B的原子比为1 : 2进行配料，称取钛铁粉81.1 g,硼铁粉48. 9 g。(2) 球磨采用YMJ-n型球磨机，将步骤(l)配备的原料放入不锈钢球磨罐中，球料比为4 : 1， 加入防氧化剂无水乙醇，无水乙醇的加入量以淹没磨球和原料为限，球磨时间1. 5小时。 球磨结束后将球磨罐打开，待无水乙醇挥发后，将球磨后的混合粉料真空塑封备用。(3) 预压称取步骤(2)球磨后的混合粉料10g,放入①20的模具中，施加40MPa的压力预 压成型，时间为l分钟；(4) 烧结将步骤(3)预压成型的坯料装入020的石墨模具，然后放进微波等离子体烧结设 备中，在压力lOMPa下，以130°C/min的升温速度将温度升至1300'C保温30秒钟后冷 却至室温，即制得原位反应生成的TiB2/Fe基复合材料。
权利要求
1、一种原位反应生成TiB2/Fe基复合材料的方法，其特征在于工艺步骤如下(1)配料以钛铁粉和硼铁粉，或钛粉和硼铁粉，或硼粉和钛铁粉，或钛铁粉、硼铁粉和铁粉，钛粉、硼铁粉和铁粉，或硼粉、钛铁粉和铁粉，或钛粉、硼粉和铁粉为原料，根据原料中钛与硼的含量，按照生成TiB2的化学计量进行配料；(2)球磨将步骤(1)配备的原料进行球磨，球料比至少为1∶1，球磨时间以原料成为≤微米级粒径的混合粉体为限；(3)烧结将球磨后的混合粉体装入模具，然后放进放电等离子体烧结设备或感应烧结设备或微波等离子体烧结设备中，在压力至少为10MPa下烧结，烧结温度为950℃～1300℃，保温时间至少为5秒钟，即制得原位反应生成的TiB2/Fe基复合材料。
2、 根据权利要求1所述的原位反应生成TiB2/Fe基复合材料的方法，其特征在于在 球磨步骤之后、烧结步骤之前增加预压步骤，所述预压是将球磨后的混合粉体装入预压 模具中加压成型，预压模具的内腔形状和尺寸与烧结用模具的内腔形状和尺寸相同。
3、 根据权利要求1或2所述的原位反应生成TiB2/Fe基复合材料的方法，其特征在 于球磨时加入防止原料氧化的防氧化剂或通入防止原料氧化的惰性气体。
4、 根据权利要求3所述的原位反应生成TiB2/Fe基复合材料的方法，其特征在于防 氧化剂为丙酮或无水乙醇，丙酮或无水乙醇的加入量以淹没磨球和原料为限。
5、 根据权利要求3所述的原位反应生成TiB2/Fe基复合材料的方法，其特征在于惰 性气体为氩气或氦气。
全文摘要
一种原位反应生成TiB₂/Fe基复合材料的方法，工艺步骤如下(1)配料，以钛铁粉和硼铁粉，或钛粉和硼铁粉，或硼粉和钛铁粉，或钛铁粉、硼铁粉和铁粉，钛粉、硼铁粉和铁粉，或硼粉、钛铁粉和铁粉，或钛粉、硼粉和铁粉为原料，根据原料中钛与硼的含量，按照生成TiB₂的化学计量进行配料；(2)球磨，将步骤(1)配备的原料进行球磨，球料比至少为1∶1，球磨时间以原料成为≤微米级粒径的混合粉体为限；(3)烧结，将球磨后的混合粉体装入模具，然后放进放电等离子体烧结设备或感应烧结设备或微波等离子体烧结设备中，在压力至少为10MPa下烧结，烧结温度为950℃～1300℃，保温时间至少为5秒钟。
文档编号B22F3/12GK101403054SQ20081004654
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月13日 优先权日2008年11月13日
发明者林 何, 颖 刘, 卉 曹, 军 李, 李兵红, 高升吉 申请人:四川大学