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：：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TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法。
背景技术：
：奥氏体锰钢韧性好，在经受较强烈冲击时，表层产生加工硬化，体现出良好的耐磨性，因而比较适合于在强烈冲击磨粒磨损工况条件下使用。但是其加工硬化能力有限，很难满足高寿命的要求。因此，需要引入增强颗粒来提高其硬度。原位内生陶瓷颗粒增强金属基复合材料主要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。已成为金属基复合材料的研究热点之一，从而备受关注。然而，颗粒增强金属基复合材料一般均为整体增强，但在很多场合下，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，不利于铸造形状复杂的铸件，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。发表在MaterialsScienceandEngineeringA(材料科学与工程A)，2007，InPress和MaterialsLetters(材料快讯)，2005，59:2043-2047上的研究论文通过钢液的高温引发Ni-Ti-C体系自蔓延反应，从而制得TiC单相颗粒局部增强钢基复合材料。然而，TiC的断裂韧性和耐磨性较低，而TiB2的耐磨性和断裂韧性虽好，但放热量大，易产生气孔，不利于致密复合材料的制备。因此，本发明综合两种陶瓷的优缺点，制备出了具有较高耐磨性和断裂韧性的原位内生双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。技术内容本发明的目的在于克服TiC或TiB2单相颗粒局部增强钢基复合材料的不足，提供一种用于制备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体系的反应物，Ni，Ti和B4C粉末按比例配制好，装入球磨机内混合均匀，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，利用钢液的热量引发预制块的原位反应，从而制备出原位内生TiC/TiB2颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。具体包括一种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)混料原始粉料应满足如下要求Ni质量百分含量5~38;其余为Ti和B4C，摩尔比Ti:B4C=3:1，对应着产物中TiC和TiB2摩尔比为1:2，粉末粒度为3.5~45微米；将上述配制好的Ni、Ti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250-300°C，除气2-3小时；(4)陶瓷颗粒增强体生成将已预处理过的预制块放置在铸件需要增强的部位，锰钢钢液温度保证在145(TC以上，利用锰钢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TiC/TiB2双相颗粒混杂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.本发明的特色在于将自蔓延燃烧合成技术和铸造技术进行了有机的结合。即将预制块放置在铸件使用时易失效部位，依靠浇入金属液的高温，诱发放置在型内的预制块自蔓延反应合成TiC和TiB2陶瓷颗粒增强相，同时钢液浸渗到预制块中，制备出TiC/TiB2双相颗粒混杂局部区域增强的锰钢复合材料。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大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。工艺简化，成本降低。2.可以制备出大尺寸的、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。较好地解决了增强颗粒体积分数受到限制，浪费了大量昂贵的增强体等关键难题。3.与单相颗粒局部增强钢基复合材料相比，TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料更为致密，TiC和TiB2双相颗粒均与基体润湿性好，其断裂韧性和耐磨性明显提高。图1预制块在铸型内放置的示意图；图210wtn/。Ni-Ti-B4C制备的TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料增强区的微观组织；图310wt.%Ni-Ti-B4C制备的TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料增强区的X射线衍射分析；图430wt.%Ni-Ti-B4C制备的TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料增强区的微观组织；图530wt.%Ni-Ti-B4C制备的TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强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(例如缍式破碎机锤头部分)F-锰钢基体(例如锤式破碎机非磨损部分)具体实施例方式实施例15wt.%Ni-Ti-B4C制备的TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料将Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C=3:1(摩尔比)，Ni质量百分含量为5比例的混合料，在球磨机中均匀混合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1450°C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:2的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料。实施例210wt.%Ni-Ti-B4C制备的TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料将Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C=3:1(摩尔比)，Ni质量百分含量为IO比例的混合料，在球磨机中均匀混合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300'C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1:2的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料，增强区的微观组织和XRD分析参阅图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，参阅表l。表1锰钢基体与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330wt.%Ni-Ti-B4C制备的TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料将Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C=3:1(摩尔比)，Ni质量百分含量为30比例的混合料，在球磨机中均匀混合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1450'C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:2的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料，增强区的微观组织和XRD分析参阅图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，参阅表l。实施例438wt.%Ni-Ti-B4C制备的TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料将Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C=3:1(摩尔比)，Ni质量百分含量为38比例的混合料，在球磨机中均匀混合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300'C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1450'C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:2的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料。权利要求1、一种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)混料原始粉料应满足如下要求Ni质量百分含量5～38；其余为Ti和B4C，摩尔比Ti∶B4C＝3∶1，对应着产物中TiC和TiB2摩尔比为1∶2，粉末粒度为3.5～45微米；将上述配制好的Ni、Ti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将已预处理过的预制块放置在铸件需要增强的部位，锰钢钢液温度保证在1450℃以上，利用锰钢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TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。全文摘要本发明涉及一种TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法，其工艺过程包括预制块由Ni，Ti和B₄C粉末组成，Ni的质量百分含量为5-38，Ti和B₄C的摩尔比为3∶1，对应产物中TiC和TiB₂的摩尔比为1∶2，将配制好的Ni、Ti和B₄C粉末经球磨机搅拌均匀，然后放入模具中压制成预制块，将预制块在低真空加热炉内预处理。然后将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，原位合成TiC/TiB₂双相颗粒增强体，同时，得到与基体界面结合良好的TiC/TiB₂颗粒局部增强锰钢复合材料。本发明克服了TiC或TiB₂单相颗粒局部增强钢基复合材料的不足。文档编号B22D19/02GK101214541SQ20081005021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