TiC/TiB₂双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料的制备方法

专利名称：TiC/TiB₂双相陶瓷颗粒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的制备方法，特别涉及TiC和TiB2双相陶瓷颗粒局部增强 锰钢复合材料的制备方法。
技术背景随着现代工业发展，迫切需要能在高温、高速和剧烈磨损工况下长寿命工作的结构件， 单纯钢铁材料制备的结构件越来越难以满足现化工业长寿命、高效率工作的需求。因而开发 新型耐磨材料，提高耐磨材料的使用寿命和降低其制造成本是国内外研究和生产部门急需解 决的重要课题，并具有重大的国民经济意义。提高金属材料耐磨性十分有效的途径之一就是 制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料。陶瓷颗粒增强金属基复合材料由于把陶瓷增强相的高强 度、高硬度、高耐磨性与金属基体的高延展性、高韧性结合在一起，可提供传统单一材料所 不具备的强、韧结合的优良的综合性能，较好地解决硬度和韧性的矛盾。陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备技术一般分为外加颗粒法与内生颗粒法两类，其中 原位内生陶瓷颗粒具有与基体的界面干净，润湿性好，结合强度高等优势，因此倍受关注。 但是，目前传统的颗粒增强金属基复合材料一般均为整体增强(中国专利，专利号ZL 981018卯.4)，都不能解决在一个零件中耐磨性与强韧性这一对难以解决的致命矛盾，即磨 损部位应有高的耐磨性，基体(非磨损部位)为了承受不同的载荷而需要高的强韧性(因有 颗粒存在时韧性降低)，因此，陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料成为复合材料领域研究的热 点。对于陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料在以往的发明专利和研究中，多数采用单一陶瓷颗 粒增强(中国专利，专利号ZL 02109101.3)。因此，采用Cu-Ti-B4C体系自蔓延反应合成 法与传统铸造法相结合制备TiC和TiB2双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料的工艺被提出， 这种工艺解决了颗粒体积分数超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，又降低了生产成本。同时，制备TiC和TiB2双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料 比单一陶瓷颗粒增强更具有良好的综合性能。发明内容本发明的目的在于克服现有的采用单一陶瓷颗粒增强锰钢复合材料的制备方法存在的 缺欠，提供一种TiC/TiB2双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料的制备方法。 本发明的上述目的通过以下技术方案实现将Cu-Ti-B4C体系的反应物按比例配好并混合均匀，在室温下压制成预制块，将预制块 经过真空除气后放置在铸型内，依靠浇入铸型内锰钢钢液的高温引燃Cu-Ti-B4C预制块自蔓 延反应合成TiC和TiB2双相陶瓷颗粒增强相，从而制备出TiC和TiB2双相陶瓷颗粒局部增 强锰钢复合材料，其特征在于工艺过程包括反应预制块的制备和型内自蔓延原位反应合成两个阶段-1、 反应预制块的制备a. 配料Cu-Ti-B4C体系预制块由Cu粉、Ti粉和B4C粉组成，其中，Cu质量百分比为 10~60， Ti和B4C的摩尔比为Ti: B4C=3: 1，粉末粒度为3.5 50微米；b. 混料将上述配制好的粉料放入低速混料机中，混合6 8小时，混合均匀；C.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，预制块紧实率为75±5%;d.预制块的真空除气处理将压制好的预制块放入低真空加热装置内，以15 35。C/分 钟的加热速率加热至200 400。C，除气2 4小时；2、 型内自蔓延原位反应合成TiC和TiB2双相陶瓷颗粒a. 锰钢钢液要求为了能够引燃预制块发生自蔓延高温反应合成TiC和TiB2双相陶瓷颗 粒，钢液温度保证在1450。C以上；b. 预制块在铸型内的放置在铸件需增强的部位放置己真空除气处理的Cu-Ti-B4C预制块；c. 浇注锰钢钢液，利用钢液的高温引燃Cu-Ti-B4C预制块自蔓延反应，制备TiC和TiB2 双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料。本发明具有以下几方面显著的积极效果1. 选用TiC和TiB2双相陶瓷作为增强体。本工艺选取锰钢作为基体，硬度较高的TiC 和TiB2双相陶瓷作为增强颗粒，制备出TiC和TiB2双相陶瓷增强的锰钢复合材料比单一陶 瓷颗粒增强更具有良好的综合性能；2. 本工艺将金属液内原位自蔓延反应合成法与铸造法相结合制备TiC和TiB2双相陶瓷 颗粒局部增强锰钢复合材料，较好地解决了增强颗粒体积分数受到限制的难题，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。同时，该工艺 解决了陶瓷颗粒整体增强时颗粒的浪费问题，降低了成本；3. 在局部增强区域采用Cu-Ti-B4C预制块的自蔓延反应合成TiC和TiB2双相陶瓷增强 相，其中Cu的加入不但降低了合成TiC和TiB2陶瓷增强颗粒的反应温度，使反应更容易进 行，而且在基体锰钢中Cu的存在可以抑制碳化物在晶界上的析出。


图l预制块在铸型内放置的示意图；图2 10wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料增强区的微观 如招.>且、，图3 10wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料增强区的X 射线衍射分析；图4 10wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料基体与增强区 的过渡界面；图5 30wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料增强区的微观 组织；图6 30wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料增强区的X 射线衍射分析；图7 30wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料基体与增强区 的过渡界面。图中A-增强区(例如炊事破碎机锤头的端部)B-预制块 C-锰钢基体基体(例如 炊事破碎机锤头的非磨损部分-锤柄)D-铸型 E-内浇口 F-浇口向铸型浇入钢液的 浇口具体实施方式
实施例110wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料。 将Cu粉(粒度小于45微米)，Ti粉(粒度小于38微米)和B4C粉(粒度小于3.5微米)按 Ti和B4C的摩尔比为Ti: B4C=3: 1， Cu含量为10wt.。/。的比例进行配比，将上述配制好的粉料 放入低速混料机中，混合6小时，在室温下压制成O22xl0mm的圆柱形反应预制块，预制块 紧实率为75±5%;将压制好的Cu-Ti-B4C预制块放入低真空加热装置内，以15。C/分钟的加热 速率加热至200。C，进行真空除气2小时；将反应预制块取出放置在铸型中铸件需要增强的部 位。基体为锰钢(化学成分质量百分比为C， 0.5 1.5， Mn， 5.0 25.0， Si<1.0， P<0.1， SO.l)， 锰钢钢液浇入铸型内，依靠锰钢钢液的高温，点燃放置在型内的预制块，发生自蔓延反应， 从而制备出TiC和TiB2双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料，其增强区的微观组织和XRD分 析如图2和图3所示，基体与增强区的过渡界面如图4所示。制备出的TiC和TiB2双相陶瓷颗粒 局部增强区的硬度和耐磨性得到了很大提高，见表l。表1复合材料增强区和基体的硬度与耐磨性材料基体局部增强区 (Cu含量，wt.%)102030405060硬度(HRC) <20 50.2 48.9 48.5 45.8 40.6 38.3体积磨损量(10-1()m3/m) 3.4 1.2 1.1 0.9 1.4 2.0 2,4/t:,1头则M z30wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料。 将Cu粉(粒度小于45微米)，Ti粉(粒度小于28微米)和B4C粉(粒度小于3.5微米)按 Ti和B4C的摩尔比为Ti: B4C=3: 1， Cu含量为30wt。/。的比例进行配比，将上述配制好的粉料 放入低速混料机中，混合7小时，在室温下压制成(D22xl0mm的圆柱形反应预制块，预制块紧实率为75±5%;将压制好的Cu-Ti-B4C预制块放入低真空加热装置内，以25°(3/分钟的加热 速率加热至300OC，进行真空除气3小时；将反应预制块取出放置在铸型中铸件需要增强的部 位。基体为锰钢(化学成分质量百分比为:C， 0.6-1.4， Mn， 6.0-20.0， Si<1.0， P<0.1， SO.l)， 锰钢钢液浇入铸型内，依靠锰钢钢液的高温，点燃放置在型内的预制块，发生自蔓延反应， 从而制备出TiC和TiB2双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料，其增强区的微观组织和XRD分 析如图5和图6所示，基体与增强区的过渡界面如图7所示。 实施例360wt.%Cu-Ti-B4C体系制备的TiC和TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料。 将Cu粉(粒度小于45微米)，Ti粉(粒度小于25微米)和B4C粉(粒度小于45微米)按 Ti和B4C的摩尔比为Ti: B4C=3: 1， Cu含量为60wt。/。的比例进行配比，将上述配制好的粉料 放入低速混料机中，混合8小时，在室温下压制成O22^10mm的圆柱形反应预制块，预制块 紧实率为75±5%;将压制好的Cu-Ti-B4C预制块放入低真空加热装置内，以35。C/分钟的加热 速率加热至400。C，进行真空除气4小时；将反应预制块取出放置在铸型中铸件需要增强的部 位。基体为锰钢(化学成分质量百分比为:C, 0.7-1.3， Mn， 7.0-13.0， Si<1.0， P<0.1， SO.l)， 锰钢钢液浇入铸型内，依靠锰钢钢液的高温，点燃放置在型内的预制块，发生自蔓延反应， 从而制备出TiC和TiB2双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料。
权利要求
1、一种TiC/TiB2双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料的制备方法，其特征在于工艺过程包括反应预制块的制备和型内自蔓延原位反应合成两个阶段反应预制块的制备a.配料Cu-Ti-B4C体系预制块由Cu粉、Ti粉和B4C粉组成，其中，Cu质量百分比为10～60，Ti和B4C的摩尔比为Ti∶B4C＝3∶1，粉末粒度为3.5～50微米；b.混料将上述配制好的粉料放入低速混料机中，混合6～8小时，混合均匀；c.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，预制块紧实率为75±5％；d.预制块的真空除气处理将压制好的预制块放入低真空加热装置内，以15～35℃/分钟的加热速率加热至200～400℃，除气2～4小时；型内自蔓延原位反应合成TiC和TiB2双相陶瓷颗粒a.锰钢钢液要求为了能够引燃预制块发生自蔓延高温反应合成TiC和TiB2双相陶瓷颗粒，钢液温度保证在1450℃以上；b.预制块在铸型内的放置在铸件需增强的部位放置已真空除气处理的Cu-Ti-B4C预制块；c.浇注锰钢钢液，利用钢液的高温引燃Cu-Ti-B4C预制块自蔓延反应，制备TiC和TiB2双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料。
全文摘要
本发明涉及一种将Cu-Ti-B₄C体系在钢液内自蔓延反应与传统铸造法相结合的TiC/TiB₂双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料的制备方法，其制备过程包括在铸件需增强的部位放置已抽真空除气处理的Cu-Ti-B₄C预制块，浇注锰钢钢液，依靠浇入钢液的高温点燃Cu-Ti-B₄C预制块制备TiC和TiB₂双相陶瓷颗粒局部增强锰钢复合材料。此工艺制备的锰钢复合材料基体与增强区结合良好，且比单一陶瓷颗粒增强具有更好的综合性能，同时，局部增强的机械部件既具有高强韧性的基体，又具有高硬度、高强度、耐磨损、抗高温疲劳与氧化的工作部位，可广泛适用于冲击磨粒磨损工况条件下服役的各类抗磨部件。
文档编号B22D19/02GK101214540SQ20081005021
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