不同比例TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法

专利名称：：不同比例TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部增强锰钢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领域，特别涉及一种不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法。技术背景奥氏体锰钢是一种抗强冲击载荷磨粒磨损工况条件下经常用的耐磨材料，其特点是韧性好但原始硬度低，因此，陶瓷颗粒的加入有利于其硬度的增加和耐磨性的提高。陶瓷颗粒的加入有外加和内生两种方式，其中原位内生陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有原位增强体与基体的界面干净，润湿性好，结合强度高，增强体尺寸小，形状较圆整等诸多优点，从而备受关注。然而，内生颗粒增强金属基复合材料一般均为整体增强，但很多场合下，并不要求材料整体都进行颗粒增强。因此一种新的颗粒局部增强钢基复合材料的制备解决了以下难题(1)随着增强颗粒体积分数的提高，金属液流动性下降，不利于浇注形状复杂的铸件，并且基体的韧性也随之下降；(2)不需要颗粒增强的部位也进行了强化，浪费了大量昂贵的增强体。关于颗粒局部增强金属基复合材料增强体的选择，人们进行了大量的研究。在众多的增强颗粒中，TiC和TiB2由于硬度高、耐磨性好得到广泛的应用。在中国发明专利(专利号:ZL02109101.3)中，已成功利用Al-Ti-C体系制得了TiC颗粒局部增强锰钢复合材料。然而TiC高温时具有较大的热膨胀系数，并且冷却过程中容易造成应力，严重影响性能，同时，该反应体系放热量大，Al容易气化，易形成气孔。而TiB2的热膨胀系数较小，但其合成放热量较大，在制备过程中容易形成气孔。因此，本发明综合两种陶瓷的优缺点，通过以Ni代Al，采用Ni-Ti-C-B4C体系制备出了不同比例TiC/TiB2颗粒局部增强无气孔的锰钢复合材料，以满足不同工况下的需求。技术内容本发明的目的是以满足不同工况下的需求，在现有TiC颗粒局部增强锰钢复合材料的基础上，提供一种用于制备不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法。本发明的技术方案是将Ni-Ti-B4C-C体系的反应物，Ni、Ti、C和B4C粉末按比例配制好，装入低速球磨机内混合均匀，然后压制成预制块；随后将钢液浇注到放置有经过预处理后的反应预制块的砂型内，其热量引发预制块的原位自蔓延反应，从而制备出不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。具体包括不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法，包括以下步骤(1)混料原始粉料配制应满足如下要求Ni质量百分比25，其余为Ti、C和B4C，其摩尔比分别为Ti:C:B4C=4:1:1和6:3:1，分别对应着产物中TiC和TiB2摩尔比为l:l和2:1，粉末粒度为3.545微米；将上述配制好的Ni、Ti、C和B4C粉末装入低速球磨机内混合搅拌，球磨8-10小时，以保证混合均匀；(2)压制成型把混合均匀的粉料放入模具中，在室温下压制成预制块，其紧实率为75±5%;(3)预制块的预处理将预制块放入低真空加热装置内，以15-20。C/分的加热速率加热至250-30(TC，除气2-3小时；(4)陶瓷颗粒增强体生成在铸件需要增强的部位放置已预处理过的预制块，锰钢钢液温度在1450'C以上，利用钢液的高温引燃预制块自蔓延反应，同时，钢液浸渗到预制块中，从而制备出不同比例TiC/TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料。本发明与目前已有的技术相比具有以下突出优点1.可以制备出具有不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部区域增强的形状复杂的锰钢复合材料零件。较好地解决了在一个零件中同时要求多种性能优化组合的材料设计关键难题，即在易磨损、易高温软化、易疲劳失效等部位为高体积分数的陶瓷颗粒，而非失效部位的锰钢基体具有高的强韧性，承受着各种交变载荷对零件的冲击，使零件高寿命地服役。2.局部增强部位的颗粒体积分数可在较大范围内可调。解决了颗粒体积分数超过10%金属液流动性显著下降，难以浇注成型形状复杂的铸件的难题。可直接铸造出大尺寸的、形状复杂的、局部高颗粒体积分数增强的锰钢复合材料的铸件。3.工艺简化，省去了颗粒增强部位与基体的连接工序。4.成本降低，解决了颗粒整体增强时颗粒的浪费问题。5.与单相颗粒局部增强钢基复合材料相比，不同比例TiC/TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料解决了以下难题通过以Ni代Al，采用Ni-Ti-C-B4C体系制备出了不同比例TiC/TiB2颗粒局部增强无气孔的锰钢复合材料。此外TiC和TiB2双相颗粒均与基体润湿性好，颗粒局部增强区的致密度高，并且性能也有显著的提高。图la预制块在铸型内放置的示意图；图lb是图la的A-A剖面图；图2TiC和TiB2摩尔为1:1的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料增强区的微观组织；图3TiC和TiB2摩尔为1:1的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料增强区的X射线衍射分析；图4TiC和TiB2摩尔为2:1的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料增强区的微观组织；图5TiC和TiB2摩尔为2:1的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料增强区的X射线衍射分析；图中A-浇口(向铸型浇入钢液的浇口)B-上箱C-下箱D-预制块E-增强区(例如挖掘机铲齿的齿裤部分)F-锰钢基体(例如挖掘机铲齿的齿裤部分)具体实施方式实施例1TiC和TiB2摩尔为1:1的双相颗粒混杂局部增强耐磨锰钢复合材料的制备将Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)、C粉(小于45微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C:C=4:1:1(摩尔比)，Ni质量百分含量为25比例的混合料，在低速球磨机中均匀混合8小时，然后压制成预制块，其紧实率为75±5%。将反应预制块放置在低真空加热装置中，以15'C/分的加热速率加热到30(TC保温2小时，进行除气，把除气后的预制块放置到铸型中铸件需要增强的部位。基体为锰钢(合金成分中的C和Mn质量百分含量分别为0.9和9.5)，将145(TC以上的锰钢钢液浇入铸型中，引燃预制块发生自蔓延反应，同时，钢液浸渗到预制块中，凝固后得到设计比TiC:TiB2摩尔比为l:1的双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。增强区的微观组织和XRD分析如图2和图3所示。与基体相比，TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强区的性能有了显著的提高，见表l。表1锰钢基体与不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强区的性能比较<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>实施例2TiC和TiB2摩尔为2:1的双相颗粒混杂局部增强耐磨锰钢复合材料的制备将Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)、C粉(小于45微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C:C=6:1:3(摩尔比)，Ni质量百分含量为25比例的混合料，在低速球磨机中均匀混合8小时，然后压制成预制块，其紧实率为75±5%。将反应预制块放置在低真空加热装置中，以15'C/分的加热速率加热到30(TC保温2小时，进行除气，把除气后的预制块放置到铸型中铸件需要增强的部位。基体为锰钢(合金成分中的C和Mn质量百分含量分别为0.9和9.5)，将145CTC以上的锰钢钢液浇入铸型中，引燃预制块发生自蔓延反应，同时，钢液浸渗到预制块中，凝固后得到设计比TiC:TiB2摩尔比为2:1的双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。增强区的微观组织和XRD分析如图4和图5所示。与基体相比，TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强区的性能有了显著的提高，见表l。权利要求1、不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)混料原始粉料配制应满足如下要求Ni质量百分比25；其余为Ti、C和B4C，其摩尔比分别为Ti∶C∶B4C＝4∶1∶1和6∶3∶1，分别对应着产物中TiC和TiB2摩尔比为1∶1和2∶1，粉末粒度为3.5～45微米；将上述配制好的Ni、Ti、C和B4C粉末装入低速球磨机内混合搅拌，球磨8-10小时，以保证混合均匀；(2)压制成型把混合均匀的粉料放入模具中，在室温下压制成预制块，其紧实率为75±5％；(3)预制块的预处理将预制块放入低真空加热装置内，以15-20℃/分的加热速率加热至250-300℃，除气2-3小时；(4)陶瓷颗粒增强体生成在铸件需要增强的部位放置已预处理过的预制块，锰钢钢液温度在1450℃以上，利用钢液的高温引燃预制块自蔓延反应，同时，钢液浸渗到预制块中，从而制备出不同比例TiC/TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料。全文摘要本发明涉及一种不同比例TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法。该复合材料中TiC与TiB₂的摩尔比为1∶1和2∶1，Ni的质量百分比为25。制备步骤为将按上述比例配制好的Ni、Ti、C和B₄C粉末装入低速球磨机内搅拌均匀，然后放入模具中压制成预制块，之后将预制块在低真空加热炉内预处理。将预处理后的预制块放置在铸件需增强部位，利用钢液的高温引发型内预制块自蔓延反应，同时原位合成TiC和TiB₂颗粒增强体，钢液浸渗到预制块中，从而得到与基体界面结合良好的不同比例TiC/TiB₂颗粒局部增强锰钢复合材料。本发明在提高局部部位耐磨性的基础上，同时保持锰钢基体本身具有良好的强韧性。文档编号C22C33/02GK101215664SQ20081005021公开日2008年7月9日申请日期2008年1月7日优先权日2008年1月7日发明者姜启川,杨亚锋,梁云虹,王慧远,赵如意申请人:吉林大学