铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属基复合材料制备技术领域，特别涉及一种制备铜基TiC/Al203复相陶瓷表面颗粒强化复合材料的方法。
技术背景
[0002]铜及铜合金由于其良好的导热性、导电性和塑性，在实际生产中的应用十分广泛，例如风口小套、连铸结晶器、电触头材料等。由于其硬度较低，耐磨性差，导致工件更换或生产线频繁维护，造成了巨大的能耗与经济损失。目前缓解零件在恶略工况下冲击磨损的主要方法是表面强化技术，其具有低成本高性能的巨大优势。
[0003]目前表面强化技术主要有电镀、多元共渗、热喷涂、激光熔覆等，但是均存在强化层厚度较薄、强化层与基体结合强度低、强化层内强化相体积分数较低等缺陷，限制了工件性能的提高。通过反应熔覆手段制备铜基表面颗粒强化复合材料的方式尚未见报道。
[0004]Al2O3颗粒与TiC颗粒同属于陶瓷材料，具有很多相似的物理化学性能，如高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特殊性能，是优良的第二相增强体材料。TiCVAl2O3复相陶瓷颗粒增强金属基复合材料能改善单一陶瓷增强相的不足，可提高强化层的强度、硬度和断裂韧性。
[0005]自蔓延高温合成法是利用外部提供必要的能量诱发热化学反应，形成燃烧波，此后的反应就可在之前反应的热量支持下继续进行，反应蔓延结束后形成所需的材料。采用自蔓延方法在金属表面制备反应熔覆陶瓷颗粒强化层，无需外界能源；产物均为原位生成，避免了外界的污染与夹杂，保证了力学与物理性能；高的放热温度使得产物为熔体，熔覆于金属表面保证涂层的致密性以及强化层与基体的结合强度，同时节省能源，降低生产成本，提高生产效率，适于工业化批量生产。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种制备铸件铜基TiCAI2O3复相陶瓷表面颗粒强化复合材料的方法。此法的特点是操作简单、生产效率高、强化层性能优异。
[0007]本发明的原理是:利用浇铸过程中浇铸液体的热量引燃自蔓延反应，原位生成TiCAI2O3陶瓷颗粒，熔覆于铸件表面最终形成陶瓷强化层。
[0008]一种铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于:利用铜液的高温引发自蔓延反应:Fe203+Al = Fe+Al203，Ti+C = TiC，在铜基铸件表面形成TiC/Al2O3复相陶瓷硬质相；自蔓延反应由浇铸温度引发，无需外界能源；产物均为原位生成，避免了外界的污染与夹杂，保证了力学与物理性能；高的放热温度使得产物为熔体，熔覆于金属表面保证涂层的致密性以及强化层与基体的结合强度，其具体步骤如下:
[0009]I)氧化铁粉或氧化铜粉、销粉、钦粉和石墨粉按照质量比27-40 %: 18-30 %:30-40%:7.5-10%进行配料，按照球料比2:1在球磨机中混合1_24小时制成混合粉末；
[0010]2)在混合均匀的粉末中加入粘结剂聚乙烯醇水溶液，粘结剂与混合粉末的质量比为1:20-1:100，搅拌均匀制成膏状涂料或直接在压力200MPa下进行压制制成预制块；
[0011]3)将膏状涂料涂覆在铸件EPS塑料泡沫模具的表面或涂覆于指定位置，或将预制块粘贴在EPS塑料泡沫模具的表面或指定位置，并在30-50°C干燥1-10小时；
[0012]4)将步骤3)得到的铸件模型外涂挂一层耐火防粘砂涂料，在40-50°C烘干4_20小时；
[0013]5)在中频感应电炉中熔炼铜液，进行浇铸，在铜基铸件表面形成TiCVAl2O3复相陶瓷硬质相；
[0014]6)铸件冷却至室温后进行后续热处理或直接进行表面清理、打磨，得到表面为自蔓延反应熔覆TitVAi2O3复相陶瓷颗粒增强的铜基铸件。
[0015]其中熔炼对象为纯铜、黄铜或青铜；铸造工艺为真空消失模铸造；所用的粉末粒度为:氧化铁粉或氧化铜粉1-50 μ m，铝粉1-50 μ m，钛粉1-50 μ m，石墨粉1-50 μ m ;粘结剂为3% wt的聚乙烯醇水溶液；压制压力为200MPa ;铜基铸件表面涂层厚度为l_20mm ;铜基铸件颗粒强化层包括铜粘结相、生成的中间合金相与分布其中的TiCAl2O3硬质相颗粒，TiCVAl2O3硬质相的体积百分数为10-70%，中间合金相的体积百分数为0-20%，其余为铜粘结相；颗粒强化层硬度为HRC30-40。
[0016]本发明的优点在于:反应熔覆陶瓷强化层结合界面洁净，具有较高的力学与物理性能；强化层的致密性以及界面的结合强度良好，在服役过程中表现出良好的耐磨耐蚀性。同时原料来源广泛，降低了生产成本，真空消失模铸造的引入进一步提高了生产效率，适于工业化批量生产。
【具体实施方式】
[0017]实施例1:
[0018](I)称取平均粒度20-25 μ m的氧化铁粉末4kg，35 μ m的铝粉4kg，40-45 μ m的钛粉4kg，40-45 μ m的石墨粉Ikg在球磨机中混料8小时；
[0019](2)在混合粉末中加入3% wt的聚乙烯醇水溶液600g，搅拌均匀制成膏状涂料；
[0020](3)将膏状涂料涂覆在EPS塑料泡沫模具表面或指定位置，涂覆层厚度为6mm，置于30°C环境中干燥3小时；
[0021](4)将步骤3得到的模具外挂3mm厚的石英砂粉防粘砂涂料，置于40°C环境中干燥4小时；
[0022](5)埋砂振动造型，并对沙箱抽真空，真空度为0.07MPa，在中频感应炉中熔炼纯铜液，进行浇铸，浇铸温度1300°C，利用浇铸过程中铜液的热量引燃自蔓延反应；
[0023](6)铸件埋砂冷却，翻箱落砂，对表面打磨清理，即得到表面为自蔓延反应熔覆TitVAi2O3复相陶瓷颗粒增强的铸件，涂层与基体冶金结合，表面光洁致密，涂层厚度6.5mm，硬度 HRC32。
[0024]实施例2:
[0025](I)称取平均粒度20-25 μ m的氧化铁粉末4kg，35 μ m的铝粉4kg，40-45 μ m的钛粉4kg，40-45 μ m的石墨粉Ikg在球磨机中混料8小时；；
[0026](2)将混合均匀的粉末置于钢模中，在压力为200MPa下进行压制得到预制块；
[0027](3)将预制块粘接在EPS塑料泡沫模具表面或指定位置，预制块厚度为4mm，置于30 °C环境中干燥I小时；
[0028](4)将步骤3得到的模具外挂3_厚的石英砂粉防粘砂涂料，置于40°C环境中干燥4小时；
[0029](5)埋砂振动造型，并对沙箱抽真空，真空度为0.07MPa，在中频感应炉中熔炼黄铜液，进行浇铸，浇铸温度1180°C，利用浇铸过程中铜液的热量引燃自蔓延反应；
[0030](6)铸件埋砂冷却，翻箱落砂，对表面打磨清理，即得到表面为自蔓延反应熔覆TitVAi2O3复相陶瓷颗粒增强的铸件，涂层与基体冶金结合，表面光洁致密，涂层厚度4.2_，硬度 HRC40。
[0031]实施例3:
[0032](I)称取平均粒度20-25 μ m的氧化铜粉末4kg，35 μ m的铝粉2kg，40-45 μ m的钛粉4kg，40-45 μ m的石墨粉Ikg在球磨机中混料6小时；；
[0033](2)在混合粉末中加入3% wt的聚乙烯醇水溶液500g，搅拌均匀制成膏状涂料；
[0034](3)将预制块粘接在EPS塑料泡沫模具表面或指定位置，预制块厚度为5mm，置于30°C环境中干燥4小时；
[0035](4)将步骤3得到的模具外挂3_厚的石英砂粉防粘砂涂料，置于40°C环境中干燥4小时；
[0036](5)埋砂振动造型，并对沙箱抽真空，真空度为0.07MPa，在中频感应炉中熔炼铝青铜液，进行浇铸，浇铸温度1250°C，利用浇铸过程中铜液的热量引燃自蔓延反应；
[0037](6)铸件埋砂冷却，翻箱落砂，进行退火处理，热处理机制为700°C X 2h,空冷。对表面打磨清理，即得到表面为自蔓延反应熔覆TitVAi2O3复相陶瓷颗粒增强的铸件，涂层与基体冶金结合，表面光洁致密，涂层厚度5.4mm，硬度HRC31。
[0038]上述制备的铜基TiCAl2O3复相陶瓷表面颗粒强化复合材料，工艺简单，表面强化层硬质相分布均匀，与基体结合良好，具有较好的高温性能和较高的强度硬度和耐磨性。
【主权项】
1.一种铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于:利用铜液的高温引发自蔓延反应，在铜基铸件表面形成TiCVAI2O3复相陶瓷硬质相；高的放热温度使得产物为熔体，熔覆于金属表面保证涂层的致密性以及强化层与基体的结合强度，其具体步骤如下: 1)氧化铁粉或氧化铜粉、销粉、钦粉和石墨粉按照质量比27-40%:18-30%:30-40%:7.5-10%进行配料，按照球料比2:1在球磨机中混合1-24小时制成混合粉末； 2)在混合均匀的粉末中加入粘结剂聚乙烯醇水溶液，粘结剂与混合粉末的质量比为1:20-1:100，搅拌均匀制成膏状涂料或直接在压力200MPa下进行压制制成预制块； 3)将膏状涂料涂覆在铸件EPS塑料泡沫模具的表面或涂覆于指定位置，或将预制块粘贴在EPS塑料泡沫模具的表面或指定位置，并在30-50°C干燥1-10小时； 4)将步骤3)得到的铸件模型外涂挂一层耐火防粘砂涂料，在40-50°C烘干4-20小时； 5)在中频感应电炉中熔炼铜液，进行浇铸，在铜基铸件表面形成TiCVAl2O3复相陶瓷硬质相； 6)铸件冷却至室温后进行后续热处理或直接进行表面清理、打磨，得到表面为自蔓延反应熔覆TiCVAl2O3复相陶瓷颗粒增强的铸件。2.按照权利要求1所述铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于:所熔炼铜液为纯铜、黄铜或青铜。3.按照权利要求1所述铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于:铸造工艺为真空消失模铸造。4.按照权利要求1所述铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于:使用的自蔓延反应粉末的粒度为氧化铁粉或氧化铜粉1-50 μ m，铝粉1-50 μ m，钛粉 1_30μπι，石墨粉 1_30μπι。5.按照权利要求1所述铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于:粘结剂为3% wt的聚乙烯醇水溶液。6.按照权利要求1所述铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于:铜基铸件表面颗粒强化层厚度为l_20mm。7.按照权利要求1所述反应所述铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于:铸件颗粒强化层包括铜粘结相、生成的中间合金相与分布其中的TiC/Al2O3硬质相颗粒，TiC/Al 203硬质相的体积百分数为10-70%，中间合金相的体积百分数为0-20%，其余为铜粘结相；颗粒强化层硬度为HRC30-40。
【专利摘要】一种铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备技术领域。首先配置表面强化层粉末，为自蔓延反应体系粉末。然后，添加聚乙烯醇水溶液均匀搅拌，将表面强化层粉末混合成膏状或压制成预制块，涂覆或粘结于EPS塑料泡沫模样表面，经涂挂耐火涂料后干燥，进行铜液熔炼、埋砂浇铸得到铜基TiC/Al2O3复相陶瓷表面颗粒强化复合材料。该方法的特点是通过浇铸热量引发表面强化层粉末的自蔓延反应，由于产物原位生成，避免了外界的污染与夹杂，保证了强化区域的力学与物理性能；自蔓延反应的高放热温度使得产物为熔体，熔覆于金属表面既保证强化涂层的致密性，同时保证强化层与基体实现冶金结合。
【IPC分类】B22D19/02
【公开号】CN104942268
【申请号】CN201510236852
【发明人】郭志猛, 石韬, 罗骥, 郝俊杰, 叶安平, 杨芳
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年5月11日