一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种颗粒增强金属基复合的制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术：

现代工业的发展对材料的耐磨性要求越来越高，矿山、建材、冶金、电力、化工、机械和农业等部门都需要矿山机械、工程机械、农业机械以及各种破碎粉磨设备，而这些设备的易损件要受到矿石、砂石以及土壤等各种物料和研磨体的磨损，每年要消耗大量金属材料，特别在矿山领域，每年大有数以万吨的耐磨材料因磨损而被消耗，且这个数字还在以一定速度不断攀升，由此可见，耐磨材料的消耗量是非常巨大的。而随着工程领域不断向前发展迈进，各行业对材料耐磨性能的要求也越来越苛刻，传统单一的金属、陶瓷等工程材料，已很难满足现在工业的要求。而如今金属基复合材料已作为耐磨、耐蚀、耐热材料而被开发和利用，该材料兼有金属基体的良好韧性和颗粒增强体的高强度、高模量、高硬度，致使该类复合材料具有很好的耐磨损性能，与此同时该类复合材料还具有良好耐腐蚀，易于制备，成本低廉等优良特性，从而引起各国政府、工业界和高校研究员的重视，使其在耐磨行业得到了很大的发展与应用。近年来，研究人员通过优化各种工艺参数来改善颗粒增强金属基复合材料耐磨性能，成功地研发了多种工艺方法，这些工艺方法不断被使用，不断被改进，受到工程研究人员的青睐。

传统的铸造制备工艺制备的复合材料，需要加入有机或者无机粘结剂和熔剂，在没有抽真空的情况下进行液态金属浇注，就会造成粘结剂或熔剂汽化或渣化，易产生气孔和夹杂，不可避免的导致复合材料内部颗粒分布不均匀，材料内部组织复杂，加大研究难度，从而降低材料性能；新工艺液相烧结法制备的复合材料，虽然可以使颗粒均匀地分布在材料内部，但其增强颗粒与基体间润湿性较差，导致复合材料的耐磨性能也比较差。

中国发明专利cn104911379a提供一种高性能金属基复合材料的制备方法，包括：取粒状的原材料al、fe、cr、co和ni金属粉；通过球磨机在氩气氛保护下，制备高熵合金粉体；称取纯铜粉体及高熵合金粉体；将二者在氩气氛保护下进行球磨

混合，得到复合材料粉末；将复合材料粉末放入冷压磨具内，匀速加压且在保压后取出冷压坯体；将冷压后的复合材料放入气氛保护烧结炉的石墨磨具，升温至800℃，等炉温稳定后，进行热压并且保压1小时，整个过程通入循环的氮气；以及随炉冷却至室温，得到铜基复合材料。相比于现有技术，采用上述制备方法，缺点在于高熵效应的存在，使得各种元素在冷却过程中扩散困难，使高熵合金粉体在冷却过程中极易形成粉体和纳米晶结构，造成元素尺寸差异，严重影响复合材料性能。

中国发明专利cn103667851a涉及了一种颗粒增强金属基复合材料的液相烧结的新型制备方法，首先使用球磨机将增强颗粒和基体粉末混合均匀，然后利用放电等离子真空烧结设备将混合粉末烧结成预制坯，最后将预制坯放入真空管式炉中进行重熔，该方法制备的复合材料其优点是增强颗粒与基体之间的比例可以任意混合，而且增强颗粒可以均匀地分布在复合材料内部。这种方法制备的缺点是由于增强颗粒与基体之间不能很好地润湿，而且重熔过程中温度较低，导致增强颗粒与基体不能进行发生充分的冶金反应，界面就不能很好地结合，致使复合材料的综合性能降低，因此它在工业上的使用在很大程度上受到限制。

技术实现要素：

一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将增强颗粒、合金粉末混合均匀，加入粘结剂，搅拌均匀制成糊状混合物，然后涂覆于eps模样底面，干燥后得到预制复合层。

（2）将金属粉末与粘结剂混合均匀，制成糊状物涂覆于预制复合层之上，干燥后得到预制过渡层。

（3）在eps模样的外表面均匀涂覆耐火材料，烘干后置于砂型型腔中，填干砂振实，将型腔底部进行抽真空。

（4）熔融的金属液从浇口浇入，待凝固后进行清砂处理，即得到颗粒增强金属基表层复合材料；浇注时遵循快慢快原则，首先要慢浇，这样可以直浇道内的泡沫塑料汽化后的气体从浇口杯跑出来，当金属液到达直浇道底部时要快浇，利用金属液将浇口杯封住，这样能够使得浇口杯一直呈现充满状态，可以有效防止空气从浇口杯吸入；最后浇注即将完毕时慢浇，防止金属液从浇口杯溢出；待凝固后进行清砂处理，即得到颗粒增强金属基表层复合材料。

本发明所述合金粉末为cr合金、w-fe、co-fe中其中一种；所述增强颗粒为wc、al2o3、sic中的一种；所述金属粉末为w、al、si中其中一种；所述基体金属为高锰钢或高铬铸铁。

优选的，本发明增强颗粒、合金粉末、粘结剂的质量比（2.5~4）:(2.5~6):(2~3)；金属粉末与粘结剂的质量比为(6~8):(2~4)。

优选的，本发明所述合金粉末和金属粉末的粒径为30～75μm；增强颗粒粒径为180～550μm；基体金属粉末粒径为20～100μm。

优选的，本发明所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液，质量百分比浓度为6～9wt%。

优选的，本发明预制复合层的厚度为5~10mm，预制过渡层的厚度为6～10mm，耐火材料涂层的厚度为0.5～1mm。

优选的，本发明步骤（3）中真空度为30~64pa。

本发明所述浇注系统的横浇道为(30～35)×(25～30)×(250～300)mm，直浇道为(30～35)×(30～35)×(120～150)mm，内浇道为(15～20)×(15～20)×(30～35)mm。

本发明所述耐火材料涂覆后烘烤时间为2～3h，烘烤温度为50～60℃。

本发明所述方法所制备的复合材料由三层组成，由下而上分别为复合层、过渡层和基材层，过渡层的添加有效避免了复合层和基材组织在性能上的突变，大大提高了复合层和基材层的结合强度。其次，通过控制合金粉末和金属粉末含量来调节复合层厚度以及过渡层厚度，进而优化复合材料耐磨性能。最后，复合层添加合金粉末，不仅提高了增强颗粒和基体粉末之间的润湿性，使得增强颗粒与基体之间形成了良好的冶金结合，极大地提高了复合材料的耐磨性能，而且复合层中合金粉末由于元素的扩散现象会从复合层扩散到过渡层，在原有的基础上进一步提高了复合层的结合强度。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法所制备的复合材料由三层组成，由下而上分别为复合层、过渡层和基材层，过渡层的添加有效避免了复合层和基材组织在性能上的突变，大大提高了复合层和基材层的结合强度，合金粉末和金属粉末的含量对铸渗厚度及其复合层厚度有很大的影响，从而通过控制合金粉末和金属粉末含量来调节复合层厚度，进而优化复合材料耐磨性能。

（2）合金粉末和金属粉末的添加，提高了增强颗粒和基体粉末之间的润湿性，使得增强颗粒与基体之间形成了良好的冶金结合，极大地提高了复合材料的耐磨性能。

（3）本发明所述方法简便实用，不必考虑涂层膏块的安放和固定，可以有效避免气孔和夹杂等缺陷的产生，负压对eps和涂胶气化物的排除十分有效，显著改善了铸渗层的质量。

（4）本发明所述方法制备的表层复合材料铸件表面质量好、尺寸精度高，能够减少人力并将工人从恶劣的作业环境和繁重的体力劳动中解放出来。

附图说明

图1是本发明的浇注工艺原理图；

图2是实施例1中表层复合材料纵向剖面sem示意图；

图3是实施例1中添加cr粉末的表层复合材料复合层金相图；

图4是实施例1中cr元素、w元素扩散示意图；

图5是实施例1表层复合材料三体磨料磨损体积磨损量随磨损时间的变化规律。

图1中：1-石英砂，2-eps模样，3-涂料，4-预置体，5-真空管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述的颗粒增强复合材料的制备方法，其具体步骤如下：

（1）将560g粒径为180～250μm的wc颗粒、560g粒径为30～40μm的cr合金粉末混合均匀，加入420g浓度为6wt%的聚乙烯醇粘结剂，搅拌均匀制成糊状混合物，然后涂覆于eps模样底面，干燥后得到预制复合层（5mm），浇注系统的横浇道为30×25×250mm，直浇道为30×30×120mm，内浇道为15×15×30mm。

（2）将800g粒径为30～40μm的w粉末与200g浓度为6wt%的聚乙烯醇粘结剂混合均匀，制成糊状物涂覆预制复合层之上，干燥后得到预制过渡层（6mm）。

（3）将耐火材料均匀涂覆于整个eps模样的外表面，涂覆厚度约为0.5mm，然后将整个烘箱中烘烤2h，设定烘烤温度为50℃，烘烤完毕干燥填干砂振实模型待用；然后将烘干的模型放入钢制的砂箱中(65×55×55cm)，将砂箱底部的抽气管与型号为sk-3水环式真空泵相连接进行抽真空，将真空系统抽到最大真空度64pa。

（4）熔融的铁水从浇口浇入，待凝固后进行清砂处理，即得到wc颗粒增强铁基复合材料，其纵向剖面如图2所示，该复合材料复合层金相图如图3所示。由于浇注及后续凝固过程中会发生元素扩散现象，复合层中添加的cr元素和过渡层中添加的w元素会向周边层扩散，最终提高了包括宏观界面和微观界面的结合强度，进一步优化了整个表层复合材料的综合性能，其扩散示意图如图4所示。

用本实施例所述方法制备添加cr合金粉末质量分别为0g、560g、685g、839g的复合材料来做三体磨料磨损性能试验，采用三体磨料磨损试验机对不同表层复合材料的耐磨性进行测试，设定试验机的转速为60r/min。磨损试验前对各个测试试样的表面进行磨削加工，以便消除表面粗糙度对耐磨性的影响，粗糙度要达到ra0.8，同时对每个试样进行预磨30min。采用leicadfc280光学显微镜和xl30esem-tmp扫描电镜表层复合材料的基体组织进行观察，采用扫描电子显微镜观察复合材料磨损形貌，分析其磨损机制。结果表明：随着基体中cr含量的增加，wc复合材料的三体磨料磨损性能逐渐提高，与未添加cr合金的表层复合材料相比，当基体中cr含量为839g时，表层复合材料的三体磨料磨损性能提高40.6%，如图5所示。添加cr合金可提高wc复合材料三体磨料磨损性能的机制是由于双“阴影效应”和“支撑效应”二者的协同作用。随着磨料磨损时间逐渐增加，wc对基体组织的“阴影保护”作用也将会进一步加强，这将使得磨料对基体组织的磨损率逐渐下降。随着磨损试验不断地进行，wc表面极易出现微裂纹，严重时会有少量的脆性碎裂发生在颗粒表面，而且少量碳化物在其局部局部会发生脱落现象，这是因为随着磨损试验的进行，珠光体逐渐被磨损，凸起的碳化物在磨料的作用下会发生脆性断裂甚至脱落，碳化物周围的珠光体组织得到了更多来自碳化物的“阴影保护”，基体组织的抗磨料磨损性能得到提高，说明了珠光体对碳化物的支撑作用也很重要。

对于复合材料微观组织，当基体中不含cr时，只有极少碳化物游离于组织中，当在预制体中加入cr合金粉末后，在基体组织中出现了网状碳化物。随着cr合金粉末含量逐渐升高，网状碳化物逐渐变成块状碳化物，与此同时碳化物含量也随之减少。在基体组织不含cr的表层复合材料中，基体组织主要由白色铁素体、黑色珠光体和片状石墨以及少量碳化物组成。当在预制层中加入cr合金粉末后，基体中的c含量会逐渐提升，基体组织主要由层片状的珠光体和碳化物组成。随着预制层中cr合金粉末含量逐渐升高，基体中的碳化物数量也随之升高，组织中除碳化物外其余部分仍为珠光体。所以基体组织中碳化物的含量对提高表层复合材料的三体磨料磨损性能具有重要的积极作用，随着基体组织中碳化物含量的增加，珠光体组织的减少，复合材料的耐磨性能提高。

实施例2

本实施例所述的颗粒增强复合材料的制备方法，其具体步骤如下：

（1）将700g粒径为250～380μm的al2o3颗粒、800g粒径为35～45μm的w-fe粉末混合均匀，加入500g浓度为7wt%的聚乙烯醇粘结剂，搅拌均匀制成糊状混合物，然后涂覆于eps模样底面，干燥后得到预制复合层（10mm），浇注系统的横浇道为35×30×300mm，直浇道为35×35×150mm，内浇道为20×20×35mm。

（2）将700g粒径为35～45μm的al粉末与300g浓度为6wt%的聚乙烯醇粘结剂混合均匀，制成糊状物涂覆预制复合层之上，干燥后得到预制过渡层（8mm）。

（3）将耐火材料均匀涂覆于整个浇注系统，涂覆厚度约为0.6mm，然后将整个烘箱中烘烤2.4h，设定烘烤温度为55℃，烘烤完毕干燥填干砂振实模型待用。然后将烘干的模型放入钢制的砂箱中(65×55×55cm)，将砂箱底部的抽气管与型号为sk-3水环式真空泵相连接进行抽真空，将真空系统抽到50pa。

（4）熔融的铁水从浇口浇入，待凝固后进行清砂处理，待凝固后清理得到al2o3颗粒增强铁基复合材料。由于浇注及后续凝固过程中会发生元素扩散现象，复合层中添加的w-fe粉末和过渡层中添加的al粉末会向周边层扩散，最终提高了包括宏观界面和微观界面的结合强度，进一步优化了整个表层复合材料的综合性能。

用本实施例所述方法制备添加w-fe粉质量分别为600g、700g、800g、900g的复合材料来做三体磨料磨损性能试验，采用三体磨料磨损试验机对不同表层复合材料的耐磨性进行测试，设定试验机的转速为80r/min。磨损试验前对各个测试试样的表面进行磨削加工，以便消除表面粗糙度对耐磨性的影响，粗糙度要达到ra0.7，同时对每个试样进行预磨33min。采用leicadfc280光学显微镜和xl30esem-tmp扫描电镜表层复合材料的基体组织进行观察，采用扫描电子显微镜观察复合材料磨损形貌，分析其磨损机制；结果表明：随着基体中w-fe含量的增加，al2o3复合材料的三体磨料磨损性能逐渐提高，与未添加w-fe的表层复合材料相比，当基体中w-fe含量为850g时，表层复合材料的三体磨料磨损性能提高38.7%。

实施例3

本实施例所述的颗粒增强复合材料的制备方法，其具体步骤如下：

（1）将800g粒径为380～550μm的sic颗粒、600g粒径为55～65μm的co-fe粉末混合均匀，加入600g浓度为9wt%的聚乙烯醇粘结剂，搅拌均匀制成糊状混合物，然后涂覆于eps模样底面，然后涂覆于eps模样底面，干燥后得到预制复合层（7mm），浇注系统的横浇道为32×28×280mm，直浇道为32×32×130mm，内浇道为18×18×33mm。

（2）将900g粒径为55～65μm的si粉末与420g浓度为6wt%的聚乙烯醇粘结剂混合均匀，制成糊状物涂覆预制复合层之上，干燥后得到预制过渡层（10mm）。

（3）将耐火材料均匀涂覆于整个eps模样的外表面，涂覆厚度约为0.8mm，然后将整个烘箱中烘烤2.6h，设定烘烤温度为60℃，烘烤完毕干燥填干砂振实模型待用。然后将烘干的模型放入钢制的砂箱中(65×55×55cm)，将砂箱底部的抽气管与型号为sk-3水环式真空泵相连接进行抽真空，将真空系统抽到50pa。

（4）熔融的铁水从浇口浇入，待凝固后进行清砂处理，待凝固后清理得到sic颗粒增强铁基复合材料。由于浇注及后续凝固过程中会发生元素扩散现象，复合层中添加的co-fe粉末和过渡层中添加的si粉末会向周边层扩散，最终提高了包括宏观界面和微观界面的结合强度，进一步优化了整个表层复合材料的综合性能。

用本实施例所述方法制备添加co-fe粉质量分别为600g、750g、900g、1050g的复合材料来做三体磨料磨损性能试验，采用三体磨料磨损试验机对不同表层复合材料的耐磨性进行测试，设定试验机的转速为70r/min。磨损试验前对各个测试试样的表面进行磨削加工，以便消除表面粗糙度对耐磨性的影响，粗糙度要达到ra0.9，同时对每个试样进行预磨35min。采用leicadfc280光学显微镜和xl30esem-tmp扫描电镜表层复合材料的基体组织进行观察，采用扫描电子显微镜观察复合材料磨损形貌，分析其磨损机制。结果表明：随着基体中co-fe含量的增加，sic复合材料的三体磨料磨损性能逐渐提高，与未添加co-fe的表层复合材料相比，当基体中co-fe含量为900g时，表层复合材料的三体磨料磨损性能提高39.6%。