CN101899586A

CN101899586A - 一种复合材料预制体的制备工艺

Info

Publication number: CN101899586A
Application number: CN 201010235201
Authority: CN
Inventors: 高义民; 史芳杰; 戚文军; 农登; 李烨飞; 郑开宏; 尹宏飞; 邢建东; 黄勇
Original assignee: Xian Jiaotong University; Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Current assignee: Xian Jiaotong University; Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: CN101899586B

Abstract

一种复合材料预制体的制备工艺，其特征是采用一种合金粉末，并用无水乙醇将其与铁基合金浸润或不浸润的陶瓷颗粒和金属粉用无水乙醇调制成混合物，填入特别设计的石墨模具中，烘干后进行真空烧结，冷却后得整体呈多孔结构的复合材料预制体。本发明制备复合材料预制体的工艺，不使用任何粘结剂，不发气，有利于铸渗，具有操作简单，便于规模生产，通用性强的优点，为实现铸渗法制备颗粒增强铁基表层复合材料工件奠定基础。将本发明的预制体放在铸型端面侧，浇入熔融金属液后，金属液渗透预制体在原位形成复合材料，能够实现耐磨部件的选择性局部增强，显著提高部件的耐磨性，延长部件使用寿命。

Description

一种复合材料预制体的制备工艺

技术领域

本发明属于制备颗粒增强铁基表层复合材料过程中准备预制体的环节，特别涉及一种利用氧化铝陶瓷颗粒和碳化钨陶瓷颗粒制备复合材料预制体的工艺。

背景技术

在实际服役过程中，特别是对一般的耐磨件，主要是在特定部位，如构件表面，承受磨损，当这些部位被磨坏或尺寸被磨小时，就会导致整个零件的报废。因此，为了提高部件的耐磨性，目前的方法是采用铸渗工艺在部件工作面上制备一层颗粒增强复合材料或在局部制备一层颗粒增强复合材料。这样具有高耐磨性的复合材料分布在表层，即降低了成本又提高了部件的耐磨性，且部件报废后复合层也已被磨掉，不会影响金属基体的回收再利用。

铸渗工艺制备颗粒增强铁基表层复合材料，是将作为增强相的陶瓷颗粒预先固定在铸型型腔的特定位置，然后浇入铁液，铁液渗透到其中的间隙中去，最终在铸件表面形成一层陶瓷颗粒增强铁基复合材料。几种典型工艺是普通铸渗工艺、压力铸渗工艺、离心铸渗工艺和负压铸渗工艺。颗粒增强复合材料已开始在耐磨部件生产中开始得到应用，例如，WC颗粒增强轧钢导位板冶金轧钢用导位板，其寿命是传统合金钢导位板的15倍。

在颗粒增强复合材料的制备过程中，无论是采用的何种铸渗工艺，陶瓷颗粒预制体的制备是制备复合材料的关键环节。目前在制备复合材料时对陶瓷颗粒的处理还存在许多问题，如使用粘结剂或复合剂方法保持预制体形态，易导致复合层厚度不均匀，表面不平整，复合层内存在气孔和夹渣等缺陷；使用压力成型的方法保持预制体形态，预制体孔隙率小，不利于铸渗，只能制备较薄复合层；使用涂覆的方法也要使用大量粘结剂，且制备的复合层较薄。利用与基体材料润湿性不好的陶瓷颗粒制备复合材料也是一个急需解决的问题，例如氧化铝、氧化锆等陶瓷硬度高，价格便宜，如果能够利用其制备复合材料将具有极大的成本优势。颗粒增强表层复合材料其表层——也就是复合层，硬度很高，但是韧性较低，在实际工况中使用时表面复合层会因受到冲击而提前断裂或剥落，造成部件使用寿命急剧降低。如将复合层不做整层结构布置，而是规律分布在部件表层，其耐磨性不降低，而承受冲击的能力却得到提升，增加了部件的使用稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不使用任何粘结剂就能够保持预制体的形状，不会在复合层中产生气孔和夹渣等缺陷的复合材料预制体的制备工艺。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案一是：

1)首先，将与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合至均匀得混合物，其中，与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.5～1.5，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的2％-5％；

2)其次，将混合物填入石墨模具中，在80℃下保温30min将颗粒烘干；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1250～1350℃，保温30～60min，冷却后陶瓷颗粒镶嵌在金属中，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

所说的与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的氧化铝、BN或TiN。

本发明采用的技术方案二是：

1)首先，将与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合至均匀得混合物，其中，与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.02～0.1，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的2％～5％；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1300～1500℃，保温30～60min，冷却后金属粉末将陶瓷颗粒相互连接在一起，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

所说的的与铁基合金润湿的陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的WC、SiC、TiC、VC、Cr₃C₂陶瓷颗粒或经机械破碎的硬质合金颗粒。

所说的金属粉末的粒径150～400目。

所说的复合材料预制体的形态由所使用的石墨模具决定，所说的石墨模具为柱状、条状、块状或蜂窝状。

本发明从而从根本上解决了以往制备颗粒增强复合材料工艺中存在的问题。第一，不使用任何粘结剂就能够保持预制体的形状，不会在复合层中产生气孔和夹渣等缺陷；第二，提供了一种通用性较强的预制体制备工艺，不仅可以利用WC、SiC等与金属基体润湿性较好的陶瓷颗粒制备复合材料，如图1所示，WC陶瓷颗粒与基体结合良好，还可利用与金属基体润湿性不好的陶瓷颗粒制备复合材料，解决了与金属基体润湿性不好的陶瓷颗粒渗透较难的问题，将陶瓷颗粒与金属粉末共同烧结形成具有一定强度的预制体，铸造时浇入金属液，在金属液的热量的作用下，预制体内的金属熔化成液体形成铸渗通路，使得金属液更容易渗透陶瓷颗粒，形成颗粒增强复合材料，如图2所示，Al₂O₃陶瓷颗粒与基体结合良好；第三，为制备预制体特别设计了模具，模具由高纯石墨制成，可重复利用，使得预制体的生产稳定化，批量化，且操作方便；第四，采用本发明的工艺制备复合材料用预制体，浇铸时陶瓷颗粒不易被冲散，金属液渗透预制体后在原位形成复合材料，耐磨件工作面由复合材料和母体金属共同组成，复合材料与金属母体结合良好，两者成规律分布，相互配合，即提高了复合耐磨件的耐磨性，又提高了其抗冲击性能。

附图说明

图1是采用WC颗粒增强高铬铸铁复合材料金相照片；

图2是采用Al₂O₃颗粒增强高铬铸铁复合材料金相照片。

具体实施方式

实施例1：

1)首先，将与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合均匀得混合物，其中，与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.5，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的2％，金属粉末采用粒径为150～400目，与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的氧化铝；

2)其次，将混合物填入柱状石墨模具中，在80℃下保温30min将颗粒烘干；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1250℃，保温60min，冷却后陶瓷颗粒镶嵌在金属中，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

实施例2：

1)首先，将与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合均匀得混合物，其中，与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.8，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的3％，金属粉末采用粒径为150～400目，与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的BN；

2)其次，将混合物填入块状石墨模具中，在80℃下保温30min将颗粒烘干；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1280℃，保温50min，冷却后陶瓷颗粒镶嵌在金属中，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

实施例3：

1)首先，将与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合均匀得混合物，其中，与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶1.5，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的5％，金属粉末采用粒径为150～400目，与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的TiN；

2)其次，将混合物填入蜂窝状石墨模具中，在80℃下保温30min将颗粒烘干；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1320℃，保温40min，冷却后陶瓷颗粒镶嵌在金属中，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

实施例4：

1)首先，将与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合至均匀得混合物，其中，与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.02，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的2％；金属粉末采用粒径为150～400目，陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的WC陶瓷颗粒；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1500℃，保温30min，冷却后金属粉末将陶瓷颗粒相互连接在一起，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

实施例5：

1)首先，将与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合至均匀得混合物，其中，与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.05，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的3％；金属粉末采用粒径为150～400目，陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的SiC陶瓷颗粒；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1300℃，保温60min，冷却后金属粉末将陶瓷颗粒相互连接在一起，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

实施例6：

1)首先，将与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合至均匀得混合物，其中，与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.08，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的4％；金属粉末采用粒径为150～400目，陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的Cr₃C₂陶瓷颗粒；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1380℃，保温50min，冷却后金属粉末将陶瓷颗粒相互连接在一起，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

实施例7：

1)首先，将与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合至均匀得混合物，其中，与铁基合金润湿的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.1，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的5％；金属粉末采用粒径为150～400目，陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的经机械破碎的硬质合金颗粒；

3)最后，将烘干后的颗粒连同石墨模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，真空度0.01Pa，烧结温度1460℃，保温40min，冷却后金属粉末将陶瓷颗粒相互连接在一起，整体呈多孔结构的复合材料预制体。

本发明方法制备出的预制体在室温下为颗粒相互连接具有一定强度的多孔结构，在高温下仍具有一定的强度，能够抵抗金属液的冲刷，浇入熔融金属液，金属液渗透预制体在原位形成复合材料，能够实现耐磨部件的选择性局部增强，能够显著提高部件的耐磨性，延长部件使用寿命。

Claims

1.一种复合材料预制体的制备工艺，其特征在于：

1)首先，将与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末用无水乙醇机械混合至均匀得混合物，其中，与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒和金属粉末的质量比为1∶0.5～1.5，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的2％～5％；

2.根据权利要求1所述的复合材料预制体的制备工艺，其特征在于：所说的与铁基合金不浸润的陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的氧化铝、BN或TiN。

3.一种复合材料预制体的制备工艺，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的复合材料预制体的制备工艺，其特征在于：所说的与铁基合金润湿的陶瓷颗粒采用粒径为8～60目的WC、SiC、TiC、VC、Cr₃C₂陶瓷颗粒或经机械破碎的硬质合金颗粒。

5.根据权利要求1或3所述的复合材料预制体的制备工艺，其特征在于：所说的金属粉末的粒径150～400目。

6.根据权利要求1或3所述的复合材料预制体的制备工艺，其特征在于：所说的复合材料预制体的形态由所使用的石墨模具决定，所说的石墨模具为柱状、条状、块状或蜂窝状。