專利名稱：：TiC/TiB₂雙相顆粒混雜局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
：奧氏體錳鋼韌性好，在經(jīng)受較強(qiáng)烈沖擊時(shí)，表層產(chǎn)生加工硬化，體現(xiàn)出良好的耐磨性，因而比較適合于在強(qiáng)烈沖擊磨粒磨損工況條件下使用。但是其加工硬化能力有限，很難滿足高壽命的要求。因此，需要引入增強(qiáng)顆粒來提高其硬度。原位內(nèi)生陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料主要具有原位增強(qiáng)體與基體的界面干凈，潤濕性好，結(jié)合強(qiáng)度高，增強(qiáng)體尺寸小，形狀較圓整等諸多優(yōu)點(diǎn)。已成為金屬基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一，從而備受關(guān)注。然而，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料一般均為整體增強(qiáng)，但在很多場合下，并不要求材料整體都進(jìn)行顆粒增強(qiáng)。因此，一種新的顆粒局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的制備解決了以下難題(1)隨著增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高，金屬液流動(dòng)性下降，不利于鑄造形狀復(fù)雜的鑄件，并且基體的韌性也隨之下降；(2)不需要顆粒增強(qiáng)的部位也進(jìn)行了強(qiáng)化，浪費(fèi)了大量昂貴的增強(qiáng)體。發(fā)表在MaterialsScienceandEngineeringA(材料科學(xué)與工程A)，2007，InPress和MaterialsLetters(材料快訊)，2005，59:2043-2047上的研究論文通過鋼液的高溫引發(fā)Ni-Ti-C體系自蔓延反應(yīng)，從而制得TiC單相顆粒局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料。然而，TiC的斷裂韌性和耐磨性較低，而TiB2的耐磨性和斷裂韌性雖好，但放熱量大，易產(chǎn)生氣孔，不利于致密復(fù)合材料的制備。因此，本發(fā)明綜合兩種陶瓷的優(yōu)缺點(diǎn)，制備出了具有較高耐磨性和斷裂韌性的原位內(nèi)生雙相顆粒混雜局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服TiC或TiB2單相顆粒局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的不足，提供一種用于制備TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是將Ni-Ti-B4C體系的反應(yīng)物，Ni，Ti和B4C粉末按比例配制好，裝入球磨機(jī)內(nèi)混合均勻，然后壓制成預(yù)制塊；隨后將鋼液澆注到放置有經(jīng)過預(yù)處理后的反應(yīng)預(yù)制塊的砂型內(nèi)，利用鋼液的熱量引發(fā)預(yù)制塊的原位反應(yīng)，從而制備出原位內(nèi)生TiC/TiB2顆粒混雜局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。具體包括一種TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(1)混料原始粉料應(yīng)滿足如下要求Ni質(zhì)量百分含量5~38;其余為Ti和B4C，摩爾比Ti:B4C=3:1，對(duì)應(yīng)著產(chǎn)物中TiC和TiB2摩爾比為1:2，粉末粒度為3.5~45微米；將上述配制好的Ni、Ti和B4C粉末裝入低速球磨機(jī)內(nèi)混合攪拌，球磨8-10小時(shí)，以保證混合均勻；(2)壓制成型把混合均勻的粉料放入模具中，在室溫下壓制成預(yù)制塊，其緊實(shí)率為75±5%;(3)預(yù)制塊的預(yù)處理將預(yù)制塊放入低真空加熱裝置內(nèi)，以15-20。C/分的加熱速率加熱至250-300°C，除氣2-3小時(shí)；(4)陶瓷顆粒增強(qiáng)體生成將已預(yù)處理過的預(yù)制塊放置在鑄件需要增強(qiáng)的部位，錳鋼鋼液溫度保證在145(TC以上，利用錳鋼鋼液的高溫引燃預(yù)制塊自蔓延反應(yīng)，同時(shí)，鋼液浸滲到預(yù)制塊中，從而制備出TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。本發(fā)明與目前已有的技術(shù)相比具有以下突出優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明的特色在于將自蔓延燃燒合成技術(shù)和鑄造技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。即將預(yù)制塊放置在鑄件使用時(shí)易失效部位，依靠澆入金屬液的高溫，誘發(fā)放置在型內(nèi)的預(yù)制塊自蔓延反應(yīng)合成TiC和TiB2陶瓷顆粒增強(qiáng)相，同時(shí)鋼液浸滲到預(yù)制塊中，制備出TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部區(qū)域增強(qiáng)的錳鋼復(fù)合材料。較好地解決了在一個(gè)零件中同時(shí)要求多種性能優(yōu)化組合的材料設(shè)計(jì)關(guān)鍵難題，即在易磨損、易高溫軟化、易疲勞失效等部位為大體積分?jǐn)?shù)的陶瓷顆粒，而非失效部位的錳鋼基體具有高的強(qiáng)韌性，承受著各種交變載荷對(duì)零件的沖擊，使零件高壽命地服役。工藝簡化，成本降低。2.可以制備出大尺寸的、形狀復(fù)雜的、局部高顆粒體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)的錳鋼復(fù)合材料的鑄件。較好地解決了增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)受到限制，浪費(fèi)了大量昂貴的增強(qiáng)體等關(guān)鍵難題。3.與單相顆粒局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料相比，TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料更為致密，TiC和TiB2雙相顆粒均與基體潤濕性好，其斷裂韌性和耐磨性明顯提高。圖1預(yù)制塊在鑄型內(nèi)放置的示意圖；圖210wtn/。Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)的微觀組織；圖310wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)的X射線衍射分析；圖430wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)的微觀組織；圖530wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)的X射線衍射分析。圖中A-澆口(向鑄型澆入鋼液的澆口)B-上箱C-下箱D-預(yù)制塊E-增強(qiáng)區(qū)(例如綞式破碎機(jī)錘頭部分)F-錳鋼基體(例如錘式破碎機(jī)非磨損部分)具體實(shí)施例方式實(shí)施例15wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料將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(摩爾比)，Ni質(zhì)量百分含量為5比例的混合料，在球磨機(jī)中均勻混合8小時(shí)，然后壓制成預(yù)制塊，其緊實(shí)率為75±5%。將反應(yīng)預(yù)制塊放置在低真空加熱裝置中，以15。C/分的加熱速率加熱到30(TC保溫2小時(shí)，進(jìn)行除氣，把除氣后的預(yù)制塊放置到鑄型中鑄件需要增強(qiáng)的部位?；w為錳鋼(合金成分中的C和Mn質(zhì)量百分含量分別為0.9和9.5)，將1450°C以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預(yù)制塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)，同時(shí)，鋼液浸滲到預(yù)制塊中，凝固后得到設(shè)計(jì)比TiC:TiB2摩爾比為l:2的顆粒局部增強(qiáng)耐磨錳鋼復(fù)合材料。實(shí)施例210wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料將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(摩爾比)，Ni質(zhì)量百分含量為IO比例的混合料，在球磨機(jī)中均勻混合8小時(shí)，然后壓制成預(yù)制塊，其緊實(shí)率為75±5%。將反應(yīng)預(yù)制塊放置在低真空加熱裝置中，以15'C/分的加熱速率加熱到300'C保溫2小時(shí)，進(jìn)行除氣，把除氣后的預(yù)制塊放置到鑄型中鑄件需要增強(qiáng)的部位。基體為錳鋼(合金成分中的C和Mn質(zhì)量百分含量分別為0.9和9.5)，將145CTC以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預(yù)制塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)，同時(shí)，鋼液浸滲到預(yù)制塊中，凝固后得到設(shè)計(jì)比TiC:TiB2摩爾比為1:2的顆粒局部增強(qiáng)耐磨錳鋼復(fù)合材料，增強(qiáng)區(qū)的微觀組織和XRD分析參閱圖2和圖3所示。與基體相比，TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)區(qū)的性能有了顯著的提高，參閱表l。表1錳鋼基體與TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強(qiáng)區(qū)的性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>實(shí)施例330wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料將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(摩爾比)，Ni質(zhì)量百分含量為30比例的混合料，在球磨機(jī)中均勻混合8小時(shí)，然后壓制成預(yù)制塊，其緊實(shí)率為75±5%。將反應(yīng)預(yù)制塊放置在低真空加熱裝置中，以15'C/分的加熱速率加熱到30(TC保溫2小時(shí)，進(jìn)行除氣，把除氣后的預(yù)制塊放置到鑄型中鑄件需要增強(qiáng)的部位?；w為錳鋼(合金成分中的C和Mn質(zhì)量百分含量分別為0.9和9.5)，將1450'C以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預(yù)制塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)，同時(shí)，鋼液浸滲到預(yù)制塊中，凝固后得到設(shè)計(jì)比TiC:TiB2摩爾比為l:2的顆粒局部增強(qiáng)耐磨錳鋼復(fù)合材料，增強(qiáng)區(qū)的微觀組織和XRD分析參閱圖4和圖5所示。與基體相比，TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強(qiáng)區(qū)的性能有了顯著的提高，參閱表l。實(shí)施例438wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料將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(摩爾比)，Ni質(zhì)量百分含量為38比例的混合料，在球磨機(jī)中均勻混合8小時(shí)，然后壓制成預(yù)制塊，其緊實(shí)率為75±5%。將反應(yīng)預(yù)制塊放置在低真空加熱裝置中，以15'C/分的加熱速率加熱到300'C保溫2小時(shí)，進(jìn)行除氣，把除氣后的預(yù)制塊放置到鑄型中鑄件需要增強(qiáng)的部位?；w為錳鋼(合金成分中的C和Mn質(zhì)量百分含量分別為0.9和9.5)，將1450'C以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預(yù)制塊發(fā)生自蔓延反應(yīng)，同時(shí)，鋼液浸滲到預(yù)制塊中，凝固后得到設(shè)計(jì)比TiC:TiB2摩爾比為l:2的顆粒局部增強(qiáng)耐磨錳鋼復(fù)合材料。權(quán)利要求1、一種TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)混料原始粉料應(yīng)滿足如下要求Ni質(zhì)量百分含量5～38；其余為Ti和B4C，摩爾比Ti∶B4C＝3∶1，對(duì)應(yīng)著產(chǎn)物中TiC和TiB2摩爾比為1∶2，粉末粒度為3.5～45微米；將上述配制好的Ni、Ti和B4C粉末裝入低速球磨機(jī)內(nèi)混合攪拌，球磨8-10小時(shí)，以保證混合均勻；(2)壓制成型把混合均勻的粉料放入模具中，在室溫下壓制成預(yù)制塊，其緊實(shí)率為75±5％；(3)預(yù)制塊的預(yù)處理將預(yù)制塊放入低真空加熱裝置內(nèi)，以15-20℃/分的加熱速率加熱至250-300℃，除氣2-3小時(shí)；(4)陶瓷顆粒增強(qiáng)體生成將已預(yù)處理過的預(yù)制塊放置在鑄件需要增強(qiáng)的部位，錳鋼鋼液溫度保證在1450℃以上，利用錳鋼鋼液的高溫引燃預(yù)制塊自蔓延反應(yīng)，同時(shí)，鋼液浸滲到預(yù)制塊中，從而制備出TiC/TiB2雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。全文摘要本發(fā)明涉及一種TiC/TiB₂雙相顆?；祀s局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料的制備方法，其工藝過程包括預(yù)制塊由Ni，Ti和B₄C粉末組成，Ni的質(zhì)量百分含量為5-38，Ti和B₄C的摩爾比為3∶1，對(duì)應(yīng)產(chǎn)物中TiC和TiB₂的摩爾比為1∶2，將配制好的Ni、Ti和B₄C粉末經(jīng)球磨機(jī)攪拌均勻，然后放入模具中壓制成預(yù)制塊，將預(yù)制塊在低真空加熱爐內(nèi)預(yù)處理。然后將預(yù)制塊放置在鑄件需增強(qiáng)部位，利用鋼液的高溫引發(fā)型內(nèi)預(yù)制塊自蔓延反應(yīng)，原位合成TiC/TiB₂雙相顆粒增強(qiáng)體，同時(shí)，得到與基體界面結(jié)合良好的TiC/TiB₂顆粒局部增強(qiáng)錳鋼復(fù)合材料。本發(fā)明克服了TiC或TiB₂單相顆粒局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的不足。文檔編號(hào)B22D19/02GK101214541SQ20081005021公開日2008年7月9日申請(qǐng)日期2008年1月7日優(yōu)先權(quán)日2008年1月7日發(fā)明者姜啟川,楊亞鋒,梁云虹,王慧遠(yuǎn),趙如意申請(qǐng)人:吉林大學(xué)