CN101786166A - 一种基于粉末冶金的电场原位制备Fe-Cu基复合材料方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉末冶金制备铁-铜基复合材料技术领域，利用电场作用，在较低温度下原位合成与烧结得到低含量陶瓷颗粒增强铁-铜基复合材料，可广泛应用于摩擦或减摩等耐磨材料。其制备方法是将铁、铜、钛、石墨等粉末按配比混合均匀，压制成相对密度为70～85％的压坯，在输出电压5～10伏特、电流2000～11000安培的电场，升温速度50～200℃/S、真空度为10^-3Pa的条件下，对压坯直接通电快速加热，使其发生燃烧合成，并在电场下持续加热至900～1100℃保温2～8分钟同步完成烧结过程。本发明在原位合成的陶瓷硬质相含量低于15％，颗粒细小，材料性能优异；本发明能有效控制反应过程与材料孔隙度，耗能低、周期短、生产效率高。

Description

一种基于粉末冶金的电场原位制备Fe-Cu基复合材料方法

技术领域

本发明属于粉末冶金制备铁-铜基复合材料技术领域，具体涉及一种电场原位制备低含量陶瓷颗粒增强铁-铜基复合材料的方法。

背景技术

随着现代工业的不断发展，金属基复合材料得到了日益广泛的应用，尤其在摩擦或减摩等耐磨材料领域。铁基材料耐高温、强度高、价廉，但导热性能差；而铜基材料耐磨性好、导热性好、抗氧化性能好，但价格相对昂贵。铁铜合金一般是均质结构，铜极大地提高多孔铁的强度。而采用铁铜基材料，一方面可以综合铁基和铜基两种材料的优点，不仅具有很高的物理力学性能，其抗腐蚀性能较好，摩擦性能不亚于青铜材料；另一方面它比铜基材料价格低30％左右，经济和社会效益较大。然而以往广泛采用的铸造方法制造的金属摩擦或减摩材料，在许多情况下对于制造复合特殊工作条件要求的摩擦或减摩材料却无能为力。粉末冶金法可在较大范围内调整材料体系的组分，能够有效控制材料和孔隙率，能利用金属、非金属、陶瓷等的组合效果来制取组合型材料，并具有产品性能优异、精度高且稳定性好等一系列优点。因此目前多采用粉末冶金方法来制备金属基摩擦或减摩材料，其中的铁铜基复合材料在摩擦或减摩材料领域具有广阔的应用前景。

在国外，美国广泛应用性能较好的烧结Fe-25％Cu含油轴承材料；Nuri Durlu等人(NuriDurlu，Nan Yao，David L.Milius.LIQUID PHASE SINTERING OF BN DOPED Fe-Cu/TiCCOMPOSITES[J].Materials Research Division)利用液相烧结法制备了Fe-Cu/TiC复合材料，他们向(Fe-4wt％Cu)+30wt％TiC中加入1％的BN，在1275℃时真空或氩气氛下烧结1小时，在该研究体系中，TiC是通过外加法引入该体系的。孙文忠等人(孙文忠，阎述人，耿学东，仲跻升，朱雪峰.一种制动用粉末冶金摩擦材料[P].中华人民共和国CN 99122593.7，2000.06.28)研制了一种制动用粉末冶金摩擦材料，各成分含量配比为Cu15～30％，Sn3～7％，Sb0.5～3％，MoS₂1～3％，石墨6～12％，SiO₂1.5～6％，余者为Fe。其方法是产品压制成形后在980～1000℃温度下烧结2小时。王文辉等人(王文辉，张彪，肖凯，李光宇，王淑敏，陈剑锋，高昆，刘扬.铁基粉术冶金摩擦材料[P].中华人民共和国CN 101314708A，2008.12.03)公开了一种铁基粉术冶金摩擦材料，由下述质量百分数的成分组成：铜粉(Cu)8～13％，钼粉(Mo)3～7％，镍粉(Ni)1～3％，铅粉(Sn)2～6％，二硫化钼(MoS₂)1～3％，石墨(C)9～14％，铸石2～5％，碳化硅(SiC)1～4％，莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)5～8％，余者为Fe。日本通过改进添加剂，研制出含5％～20％Cr₃C₂、Mo₂C、TiC、ZtC、HfC等硬质颗粒的铁基减摩材料，应用于压缩机和冷冻机抗磨损部件；在铜基减摩材料中加入TiC、TiN、NbC、Cr₃C₂等强化基体，提高其耐磨性，降低摩擦系数(韩风麟，粉末冶金机械零件，机械工业出版社，1987年)。在以上这些方法中，所有的化合物都是通过外加颗粒的方法加入到基体中的，而不是原位合成的，因此相对容易出现表面污染、增强体与基体结合不良而造成界面剥落的现象

杨屹等人(杨屹、冯可芹.大电流制备铁基复合材料及硬质合金的方法[P].中华人民共和国ZL 03 1 35457.2)发明了一种大电流原位制备TiC或VC增强铁基复合材料的方法，由质量百分数为Fe 30～85％、Ti12～56％、C 3～14％或Fe 30～85％、V 12.1～56.7％、C 2.9～13.3％的粉末体系燃烧合成得到含硬质相15～70％TiC或VC的铁基复合材料，其中由于原位反应合成的TiC或VC含量相对较高，即反应体系的热焓相对较高，则体系的燃烧合成相应较易进行。

然而，由于无论在摩擦材料还是减摩材料中，所添加的硬质相含量不能太高(质量百分数低于15％)，则反应体系的热焓低，很难采用普通的燃烧合成方法获得硬质相；如采用传统的粉术冶金方法，则需要在非常高的温度下才有可能实现硬质相的原位合成。此外，由于铜的导热性能高于铁，使得Fe-Cu基体系的热焓比同含量Fe基体系低，以至于不能采用普通的燃烧合成方法获得硬质相。而利用电场辅助燃烧合成并同步烧结制备低含量陶瓷颗粒(质量百分数≤15％)增强Fe-Cu基复合材料的报道尚未发现。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的问题，提供一种电场原位合成低含量陶瓷颗粒增强铁-铜基复合材料的方法。

本发明提供的电场原位合成陶瓷颗粒增强铁-铜基复合材料的方法，基于压坯组份在外加电场(大电流)的作用下，电子-方面会相对于晶格原子作规则的定向运动，从而在材料中形成电流，另一方面又会在其流动过程中与晶格原子发生相互碰撞，且外加电流越大，电子的运动速度越快，从而使得组元原子间的扩散加快，易于实现组元间的化学反应的机理提出的。此外，在电场的强烈作用下，在压坯燃烧合成的同时还会发生一定的致密化过程，并能结合加压方式来控制压坯的孔隙度。具体是先将以重量百分比计Fe 55～75％、Cu 15～30％、Ti 4～12％、石墨粉1～15％的粉术按照配比混制均匀(其中的石墨C部分作为合成硬质陶瓷颗粒的反应物，剩余部分作为材料的润滑剂)，在模具中压制成所需结构形状且相对密度为70～85％的生坯，然后将压坯放置于加热设备中，在输出电流为5～10伏特、输出电流为2000～11000安培的电场，升温速度为50～200℃/S、真空度为10^-3Pa的条件下，对压坯直接通电进行快速加热，使压坯内组元在600～800℃下发生燃烧合成反应，并在电场的持续作用下，加热至900～1100℃保温2～10分钟完成反应和烧结过程。根据对所获材料性能的要求，在加热过程的不同阶段，可以选择采取加压或不加压的措施，以获得不同孔隙度的材料。对压坯直接通电的升温速度优选50～100℃/S。

为了更好地实现本发明的目的，本发明对压坯的相对密度进行了适应性的筛选，即压坯生坯的相对密度为70～85％。此外还采用了以下技术措施：即使用的Fe、Cu、Ti粉的粒度为30～150μm，石墨粉的粒度为5～75μm。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1、由于本发明制备的压坯相对密度高，当采用大电流对压坯进行加热时，能保证电子在材料中的运动速度加快，进而使流动的电子能与晶格原子进行高频率的碰撞，热运动加剧，即电场有效促进了压坯体系原子间的扩散，同时还降低了生成陶瓷相原位反应的激活能，因而本发明可以实现反应物在较低温条件下的固相扩散，打破了较低温度固相化学反应的“瓶颈”效应，实现在较低温度下(800℃以下)燃烧合成铁-铜基复合材料的目的。

2、在Fe-Cu-Ti-C系复合材料的合成中，作为基体材料的Fe和Cu会稀释反应物的浓度，其中Cu的稀释作用更明显，导致反应点分散，因此，在已有技术中，当Fe含量大于60％时，Fe-Ti-C体系反应就无法被激发，出现了对其依赖性较强的现象。由于本发明可以在反应过程中控制电流大小和升温速度，因而能克服这一缺陷，确保Fe+Cu含量高达85～95％范围内都能实现材料的制备，也就是说低含量陶瓷颗粒增强铁-铜基复合材料能够原位合成。

3、由于在加热过程中合成TiC的放热反应会使压坯产生一定的孔隙，而本发明中的预设升温速度、最高温度、保温时间、压力大小及加压方式等工艺参数可以调节，因此可以方便、有效地通过对反应程度的控制或施加一定的压力等措施来达到灵活控制材料孔隙度的目的，以满足材料摩擦或减摩性能的不同需要。

4、由于本发明中TiC颗粒是在较低温度下原位合成的，且Fe-Cu基体含量高，使得合成的TiC颗粒尺寸细小(0.2～1μm)，与基体结合为冶金结合，避免了与基体浸润不良的问题，克服了外加颗粒难以均匀分布，两相界面接合强度不够高，颗粒粗大(一般在5～20μm)等缺点。

5、由于采用本发明制备材料时，过程中的最高温度一般不会超过1100℃，并且体系燃烧合成与烧结同步在十分钟左右完成，表现出耗能低、周期短、效率高的优点，具有显著的经济效益。

6、本发明简单、可靠，易于调节控制。

附图说明

图1为本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例5的X衍射图。

图2为本发明实施例3的Fe-Cu基复合材料的扫描电镜照片

图3为本发明实施例5的Fe-Cu基复合材料的扫描电镜照片

图4为本发明实施例10的Fe-Cu基复合材料的扫描电镜照片

具体实施方式

以下给出的实例是对本发明的具体描述和进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。

本发明采用的实施设备为美国DSI科技联合体研制的Gleeble-3500D热模拟机，该设备由真空系统、计算机控制系统、加热系统组成。根据所需制备材料的成分和性能要求来确定工艺条件，并通过计算机系统编程控制加热过程。

实施例1～12的具体实施步骤如下：

1、根据制备不同的Fe-Cu-Ti-C体系的要求，分别按表1给出的成分配比称样，并按0.1ml/g的比例加入酒精后，在球磨机上经2～6小时球磨充分混制均匀，然后用模具在压机上压制成所需结构形状且相对密度为70～85％的生坯，本发明实施例都是压制成直径为13.20mm，高度为8.70mm的圆柱压坯，其相对密度各实施例见表1。

2、把制备好的压坯放入热模拟机的加热系统中，在压坯沿轴向方向的两端用夹头夹持固定好后，当达到10^-3pa的真空条件时，直接对压坯进行通电加热。通过计算机控制系统，按表1各实施例要求的加热升温速度来调节电流，利用电流通过压坯来快速加热。当达到某一较低温度(600～800℃)时，压坯被点燃从而发生整体燃烧反应，表1中各实例给出的点火温度即是压坯被点燃从而发生整体燃烧反应的温度。

3、继续升温使压坯温度达到表1各实施例所要求的最高温度时，实施例1～10保温2～8分钟，而实施例11～12在保温6分钟的同时分别加压2～6MPa，然后断电，并从夹头上取下压坯，即得到所需的复合材料。

为了检测Fe-Cu-Ti-C体系压坯燃烧合成得到的产物中是否生成了TiC，对表1中部分实施例所得产物进行了X衍射测试，实验条件为：Cu靶K_α谱线，50kv/160mA电场。所得图谱见附图1。此外，为了更好说明本发明方法的优点，将表1中部分实施例所获的材料进行了扫描电镜微观组织形貌检测，照片见图2、图3、图4，其中深灰色小颗粒为TiC硬质相颗粒。这说明本发明可原位获得低含量、颗粒细小、均匀分布在Fe-Cu基体的TiC硬质相，即获得了具有高性能的Fe-Cu基复合材料。

表1  Fe-Cu-Ti-C体系合成的各实施例的配方和工艺条件

Claims (4)

1.一种基于粉末冶金的电场原位制备Fe-Cu基复合材料的方法，其特征在于先将以质量百分比计的铁粉(Fe)55～75％、铜粉(Cu)15～30％、钛粉(Ti)4～12％、石墨粉(C)1～15％按照配比混制均匀，在模具中压制成所需结构形状且相对密度为70～85％的生坯，然后将压坯放置于加热设备中，在输出电压为5～10伏特、输出电流为2000～11000安培的电场，升温速度为50～200℃/S、真空度为10^-3Pa的条件下，对压坯直接通电进行快速加热，使压坯内组元在600～800℃下发生燃烧合成反应，并在电场的持续作用下，加热至900～1100℃保温2～10分钟完成烧结过程。

2.根据权利要求1所述的基于粉末冶金的电场原位制备Fe-Cu基复合材料的方法，其特征在于Fe、Cu、Ti粉的粒度为30～150μm，C粉采用粒度为5～75μm的石墨粉。

3.根据权利要求1或2所述的基于粉末冶金的电场原位制备Fe-Cu基复合材料的方法，其特征在于原位合成了低含量(质量百分比≤15％)的陶瓷颗粒增强相，且颗粒细小(0.2～1μm)。

4.根据权利要求1或2所述的基于粉末冶金的电场原位制备Fe-Cu基复合材料的方法，其特征在于可通过调整压坯成分，以及选择加热过程中加压方式及压力大小来控制复合材料的致密度。

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