一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，屬于抗耐磨材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]如今耐磨材料被廣泛應(yīng)用于礦山、建材、冶金、電力、化工、機(jī)械和農(nóng)業(yè)等部門，特別在礦山領(lǐng)域，每年大約有350多萬噸的耐磨材料因磨損而被消耗，且這個(gè)數(shù)字正在以每年很高的增長(zhǎng)率在增長(zhǎng)，因此耐磨材料的消耗量是非常巨大的，不容忽視的。隨著現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)材料耐磨性能的要求也越來越高，單一的金屬、陶瓷等工程材料，已很難滿足現(xiàn)在工業(yè)的要求。而顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料兼有金屬基體的良好韌性和顆粒增強(qiáng)體的高強(qiáng)度、高模量、高硬度，致使該類復(fù)合材料具有很好的耐磨損性能，且其還具有良好耐腐蝕，易于制備，成本低廉等優(yōu)良特性，從而引起各國(guó)政府、工業(yè)界和高校研究員的重視，使其在耐磨行業(yè)得到了很大的發(fā)展與應(yīng)用。近年來，研究人員為提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，通過改變其各種工藝參數(shù)來改善顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的工作做了大量的研究，并成功的開發(fā)了多種工藝方法。這些工藝方法用于制造顆粒增強(qiáng)金屬復(fù)合材料時(shí)，也取得了很好的效果。如利用WC增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料制造襯板時(shí)，與鑄態(tài)件相比，使其耐磨性能提高了 4?5倍。但是由于通過傳統(tǒng)的鑄滲法制備的復(fù)合材料，就不可避免的會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部顆粒分布不均勻，材料內(nèi)部組織復(fù)雜，這必然會(huì)影響顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的使用范圍；而通過新工藝SPS+真空界面重熔法制備的復(fù)合材料，雖然可以使顆粒均勻地分布在材料內(nèi)部，但其又受到了顆粒與基體間潤(rùn)濕性較低的原因，導(dǎo)致其復(fù)合材料的力學(xué)性能也比較差。
[0003]中國(guó)發(fā)明專利CN104209496A介紹了一種用于制備顆粒增強(qiáng)金屬基表層復(fù)合材料的真空實(shí)型鑄造方法，這種方法是將增強(qiáng)顆粒放置于自制的真空實(shí)型鑄滲裝置中的石英管中，借助真空密封技術(shù)，提高金屬液的充型能力，以利于金屬液在增強(qiáng)顆粒間的滲透，從而獲得更厚的復(fù)合層。這種方法的缺點(diǎn)是泡沫燃燒產(chǎn)生的氣體及復(fù)合層中的粘結(jié)劑氣化產(chǎn)生的氣體都會(huì)使復(fù)合材料材料內(nèi)部容易出現(xiàn)氣孔的缺陷，無法生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和致密性較高的零部件，并且復(fù)合層內(nèi)的增強(qiáng)顆粒難以避免的產(chǎn)生分布不均勻等現(xiàn)象，影響復(fù)合材料的使用壽命。
[0004]中國(guó)發(fā)明專利CN103667851A公布了一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的SPS+真空界面重熔的新型制備方法，先將顆粒和基體粉末進(jìn)行球磨混粉，然后利用SPS將混合粉末燒結(jié)成預(yù)制坯，最后將預(yù)制坯放入真空管式爐中進(jìn)行重熔，這種方法制備的復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)是可以使增強(qiáng)顆粒均勻的分布在復(fù)合材料內(nèi)部。這種方法制備的缺點(diǎn)是由于顆粒與基體潤(rùn)濕性較差，而重熔溫度又不高，導(dǎo)致增強(qiáng)顆粒與基體不能發(fā)生充分的冶金反應(yīng)，生成的界面寬度較低，最終使復(fù)合材料的力學(xué)性能提高的很少，且此工藝性價(jià)比也很低，從而限制了它在工業(yè)上的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，所述通過添加金屬粉末N1、N1-Fe、C0、C0-Fe、W-Fe中的一種來改善顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能，將增強(qiáng)顆粒、基體金屬粉末、金屬粉末一起球磨混粉后壓實(shí)得到預(yù)制坯，經(jīng)過真空燒結(jié)后最終得到顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料;合金粉末的添加量占預(yù)制坯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?20%。
[0006]所述基體金屬為鑄鐵或鑄鋼，增強(qiáng)顆粒為三氧化二鋁、碳化硅、碳化鈦、硬質(zhì)陶瓷、碳化鎢中的一種或多種按任意比例混合。
[0007]優(yōu)選的，本發(fā)明所述金屬粉末的粒徑為10?60μηι;增強(qiáng)顆粒粒徑為150?830μηι;基體金屬粉末粒徑為20?ΙΟΟμπι。
[0008]優(yōu)選的，本發(fā)明球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200r/min?360r/min，球磨時(shí)間為60?180min。
[0009]優(yōu)選的，本發(fā)明混合粉末壓實(shí)時(shí)，保壓壓力為50?10kN，保壓時(shí)間為30?60min。
[0010]優(yōu)選的，真空燒結(jié)過程為:升溫過程，按5°C/min?10°C/min的升溫速率從室溫升至1000°C，再按2°C/min?3°C/min的升溫速率升至高于基體金屬熔點(diǎn)20?60°C ;保溫過程，保溫時(shí)間為120?180min ；降溫過程，按2 °C/min?3 °C /min的降溫速率降溫至1000 °C，然后按5°C/min?10°C/min的降溫速率降溫至500°C，最后隨爐冷卻至室溫。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:
(I)經(jīng)過球磨機(jī)混粉后的增強(qiáng)顆粒能夠很好的均勻分布在復(fù)合材料基材中，能夠成為良好的抗磨復(fù)合表層，并且因?yàn)槠漕w粒分布相對(duì)均勻，能夠很好的解決其在激冷激熱工況下的使用壽命，并為研究復(fù)合材料綜合性能提供參考。
[0012](2)增強(qiáng)顆粒和添加合金粉末的體積分?jǐn)?shù)皆可根據(jù)工件的使用要求進(jìn)行配比，成分可調(diào)，適應(yīng)性廣。
[0013](3)合金粉末的添加，大大地改善了增強(qiáng)顆粒和基體粉末的潤(rùn)濕性，促進(jìn)了增強(qiáng)顆粒與基體之間的冶金反應(yīng)，使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了成倍的提高；
(4)該方法制備的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，發(fā)揮了增強(qiáng)顆粒與基體共同的性能，調(diào)控方便，工藝簡(jiǎn)單、方便、可靠。
[0014](5)通過調(diào)節(jié)添加合金粉末類型和含量，可以使復(fù)合材料具有不同的力學(xué)性能，從而使該類復(fù)合材料的應(yīng)用面更廣。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0016]實(shí)施例1
本實(shí)施例所述的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下:
(I)將粒徑為380?530μπι的WC顆粒、粒徑為40?45μπι的鑄鐵粉、粒徑為20?30μπι的W+Fe粉與乙醇溶液(乙醇溶液的含量為增強(qiáng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%)裝入球磨罐內(nèi)，在球磨機(jī)上均勾混合60min，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為360 r/min，然后將混合得到的粉末放入干燥箱里進(jìn)行烘干；在復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒所占體積分?jǐn)?shù)為50 %，剩余的為基體部分。
[0017](2)將烘干后得到的混合粉末，放入模具中，在壓力試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行壓實(shí)，保壓壓力為100kN，保壓時(shí)間為30 min，然后得到預(yù)制還。
[0018](3)然后將預(yù)制坯放入真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)條件為通入氬氣保護(hù)，升溫過程，按10°C/min的升溫速率從室溫升至1000°C，再按3°C/min的升溫速率升至高于基體金屬熔點(diǎn)500C ;保溫過程，保溫時(shí)間為ISOmin;降溫過程，按3°C/min的降溫速率降溫至1000 °C，然后按10°C/min的降溫速率降溫至500°C，最后隨爐冷卻至室溫，最終得到復(fù)合材料。
[0019]用本實(shí)施例制備得到添加W+Fe粉占預(yù)制坯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%的復(fù)合材料來做沖擊磨料磨損試驗(yàn)，采用MLD-10型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，磨粒為線路現(xiàn)場(chǎng)的一級(jí)道碴，用AR2140型電子天平對(duì)磨損前后的試樣稱重，稱重前試樣必須清洗和烘干，并采用5次稱重取其平均值計(jì)算磨損失重，用相同試驗(yàn)參數(shù)上試樣的平均失重評(píng)定材料的耐磨性；結(jié)果表明，該復(fù)合材料的磨損率分別為0.269g/h、0.160g/h、0.133g/h、0.132g/h和0.099g/h，耐磨性比未添加任何合金粉末的復(fù)合材料的耐磨性提高了 1.7?2.7倍左右；用HR-150型洛氏硬度計(jì)測(cè)量其硬度;結(jié)果表明，添加W+Fe粉占預(yù)制坯質(zhì)量為10%的復(fù)合材料洛氏硬度為HRC79(比硬質(zhì)合金的HRC68提高了 16% );由此可見，隨著添加W+Fe粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的耐磨耐沖擊性能也在逐漸增加，且材料的硬度也得到了明顯的提高。
[0020]實(shí)施例2
利用粉末燒結(jié)法制備出Ni粉(粒徑為1?15μπι)占預(yù)制坯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%的顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料，其中增強(qiáng)顆粒為碳化硅，顆粒粒徑為150?200μπι，在復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒所占體積分?jǐn)?shù)為50%，剩余的為基體部分，基體為鑄鋼粉，粉末粒徑為20?25μπι0
[0021]本實(shí)施例所述的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下:
(I)將粒徑為380?530μπι的碳化硅顆粒、粒徑為20?25μπι的鑄鋼粉、粒徑為10?15μπι的Ni粉與乙醇溶液(乙醇溶液的含量為增強(qiáng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3% )裝入球磨罐內(nèi)，在球磨機(jī)上均勾混合80min，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為250r/min然后將混合得到的粉末放入干燥箱里進(jìn)行烘干。
[0022](2)將烘干后得到的混合粉末，放入模具中，在壓力試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行壓實(shí)，保壓壓力為90kN，保壓時(shí)間為40 min，然后得到預(yù)制還。
[0023](3)然后將預(yù)制坯放入真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)條件為通入氬氣保護(hù)，升溫過程，按5°C/min的升溫速率從室溫升至1000°C，再按2°C/min的升溫速率升至高于基體金屬熔點(diǎn)20 0C ;保溫過程，保溫時(shí)間為120min;降溫過程，按2 °C /min的降溫速率降溫至1000 °C，然后按5°C/min的降溫速率降溫至500°C，最后隨爐冷卻至室溫，最終得到碳化硅顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料。
[0024]用本實(shí)施例制備得到添加Ni粉占預(yù)制坯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料來做沖擊磨料磨損試驗(yàn)，采用MLD-10型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，磨粒為線路現(xiàn)場(chǎng)的一級(jí)道碴，用AR2140型電子天平對(duì)磨損前后的試樣稱重，稱重前試樣必須清洗和烘干，并采用5次稱重取其平均值計(jì)算磨損失重，用相同試驗(yàn)參數(shù)上試樣的平均失重評(píng)定材料的耐磨性。結(jié)果表明，該復(fù)合材料的磨損率分別為0.296g/h、0.126g/h、0.10lg/
11、0.0958/11和0.0948/11，耐磨性比未添加任何合金粉末的復(fù)合材料的耐磨性提高了2?3.1倍左右；用HR-150型洛氏硬度計(jì)測(cè)量其硬度;結(jié)果表明，添加Ni粉占預(yù)制坯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的復(fù)合材料洛氏硬度為HRC82(比硬質(zhì)合金的HRC68提高了20% );由此可見，隨著添加Ni粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的耐磨耐沖擊性能也在逐漸增加且慢慢趨于趨于平緩，且材料的硬度也得到了明顯的提高。
[0025]實(shí)施例3 利用粉末燒結(jié)法制備N1-Fe粉(