CN101974718B - 一种表面具有多尺度耦合结构的复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面具有多尺度耦合结构的立方氮化硼仿生耐磨复合材料及其制备方法，属于金属材料领域。所述的复合材料由NiCrBTi作为粘结合金和c-BN超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相组成，NiCrBTi粘结合金成分配比按重量百分比计(Wt％)：Ni：60-70，Cr：10-20，B：2-5，Ti：10-15。复合材料中的c-BN单晶颗粒所占体积百分含量为25-30％，颗粒平均粒度为200μm。其制备方法是将NiCrBTi粘结合金填充在c-BN单晶颗粒间，采用模具成型的方法，使试样表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，通过放电等离子烧结技术在钢基体上制备表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料。
Description
技术领域：
本发明涉及一种采用镍铬硼钛(NiCrBTi)作为粘结合金，应用放电等离子烧结技术(spark plasma sintering，简称SPS)在钢基体上制备一种表面具有多尺度耦合结构的立方氮化硼(c-BN)仿生耐磨复合材料的方法，属于金属材料领域。
背景技术：
机械部件磨损所造成的能源和材料消耗是十分惊人的，其提前失效的原因30-60％属于表面磨损。目前提高机械部件表面耐磨技术主要有研发新型耐磨材料、添加润滑材料、从结构上进行合理设计和表面改性等。研发耐磨材料已成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。探索新的耐磨材料和磨损机理，尤其是在保证机械部件的强度、刚度和抗疲劳等性能的前提下，如何提高表面的耐磨性，备受研究人员关注，有多篇相关学术论文，见〔1〕摩擦学学报，2001，21(5)：330-334；〔2〕机械工程学报，2004，40(6)：71-74等学术期刊。
在各种磨损形式中，材料的磨粒磨损占到磨损总量的50％左右，其表现形式为硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损，具体表现为塑性材料表面的犁沟、微观切削以及脆性材料断裂。通常认为耐磨材料的组织应当是在软的塑性基体上分布着许多硬颗粒的异质结构，在正常载荷作用下，主要由凸出在摩擦表面的硬质相直接承受载荷，而软相则起着支持硬质相的作用。因此，采用硬质颗粒增强相制备的耐磨复合材料的研发思路一般都是通过提高基体材料的耐磨性和基体材料与颗粒增强相的界面结合强度以期减少颗粒增强相的脱落，从而达到提高材料的耐磨性能。
自然界中的生物经历了亿万年的进化，其结构与功能已经达到了近乎完美的程度。生物体表与外部物质接触发生诸多力学、物理和化学过程：如自洁、磨损、摩擦、防腐、吸附、催化、润滑、粘合和分散等都与其表面组织、结构和性能密切相关，显示出极好的防粘、耐磨、减摩、耐蚀和力学等综合功能。生物体通过不同的形态、结构、材料和构成等彼此之间的耦合作用而达到生物功能最优化、对环境适应最佳化和能量消耗最低化。生物体都是由少数简单的物质构成的，大部分属于有机/无机复合材料，具有不同尺度的多级结构，贝壳就是一种绝佳的有机/无机复合材料。有机材料具有极好的塑性和韧性，无机材料具有较高的硬度，有机材料与无机材料耦合构建的复合材料具有良好的韧性和较高的硬度与耐磨性等综合性能。普林斯顿大学的研究人员模仿贝壳的微观结构，将铝(Al)充满在碳化硼(B4C)之间成功研制坚硬又柔软的新型的仿生复合材料。
发明内容：
对于采用c-BN超硬材料制备的仿生耐磨复合材料，c-BN单晶颗粒的脱落是其失效的主要原因之一。c-BN颗粒的脱落与基体材料的耐磨性、颗粒尺寸和形态、颗粒与基体合金成分比、颗粒与基体合金的界面结构及仿生耐磨复合材料表面形态结构有关。
本发明的目的在于提供一种表面具有多尺度耦合结构的复合材料及其制备方法。基于仿生耦合设计思想，综合成分、材料和结构等多因素的作用，采用塑性好的镍铬硼钛(NiCrBTi)作为粘结合金和c-BN超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相，将NiCrBTi粘结合金填充在c-BN单晶颗粒间，采用模具成型的方法，使试样表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，通过放电等离子烧结技术(spark plasma sintering，简称SPS)在钢基体上制备表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种表面具有立方氮化硼仿生耐磨复合材料，所述的复合材料由NiCrBTi作为粘结合金和c-BN超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相组成，NiCrBTi粘结合金成分配比按重量百分比计(Wt％)：Ni：60-70，Cr：10-20，B：2-5，Ti：10-15。复合材料中的c-BN单晶颗粒所占体积百分含量为25-30％，颗粒平均粒度为200μm。
所述的c-BN仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d＝1.0mm，凸包高度h＝0.5mm，凸包间距S＝2mm。
一种表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：
第一步，采用颗粒大小为60-80μm，纯度为99.99％的Ni、Cr、B、Ti金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金。NiCrBTi粉状粘结合金成分配比(按重量百分比计Wt％)：Ni：60-70；Cr：10-20；B：2-5；Ti：10-15。将按设计成分制备好的NiCrBTi粉状粘结合金再与c-BN单晶颗粒按一定配比混合均匀。c-BN仿生耐磨复合材料中的c-BN单晶颗粒体积百分含量为25-30％，颗粒平均粒度为200μm。
第二步，将按设计配比混合均匀的NiCrBTi粉状粘结合金与c-BN单晶颗粒装入烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，使c-BN仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体。图1是表面形态分布示意图及非光滑凸包单元体尺寸。非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d＝1.0mm，凸包高度h＝0.5mm，凸包间距S＝2mm。
第三步，采用SPS烧结技术制备c-BN仿生耐磨复合材料。采用SPS烧结技术制备c-BN仿生耐磨复合材料的工艺参数为：真空度控制在6×10-2Pa以上，烧结温度700-900℃，轴向压力20-30MPa，保温时间3-10min，升温速率控制在100℃/min。
按照上述工艺制备的c-BN仿生耐磨复合材料，SPS烧结技术利用放电等离子体在加压粉体粒子间直接通入脉冲电流，由火花放电瞬间产生的等离子体对NiCrBTi粉状粘结合金与c-BN单晶颗粒进行加热。NiCrBTi粉状粘结合金在热效应和场效应的共同作用下，凝固微观组织由Ni固溶体及Ni3B、CrB、Cr5B3、TiNi、Ni3Ti、NiTi2等多种金属间化合物组成。Ni固溶体呈圆块状，金属间化合物弥散分布于Ni固溶体的晶界处，对基体合金起到强化作用。这种微观结构使基体合金的耐磨性得到显著改善。
本发明所述的一种表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料，是由NiCrBTi作为粘结合金和c-BN超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相组成。粘结合金成分的确定非常重要，需要同时兼顾与c-BN单晶颗粒和钢基体的相互作用。Ni具有较好的延展性、高温性、抗腐蚀性和抗氧化性能，Ni基合金常用于制备高温合金的基体。Cr是Ni基合金中的主要添加元素，Cr使Ni固溶体强化，并提高其抗氧化性。B与Cr形成金属间化合物，在Ni固溶体中起到弥散强化作用。Ti是活性元素，在烧结过程中起重要作用，能与c-BN单晶颗粒发生化学冶金反应，在界面处形成新相，提高粘结合金和c-BN单晶颗粒间的结合强度。
c-BN单晶颗粒的体积百分比含量对c-BN仿生耐磨复合材料的强度和耐磨性影响显著。c-BN单晶颗粒的体积百分比含量过低或过高均不能发挥c-BN仿生耐磨复合材料的耐磨性优势。c-BN单晶颗粒的体积百分比含量过低导致复合材料中的增强硬质相浓度低，从磨损机理和材料耐磨性两方面来看，起连接和固结作用的NiCrBTi粘结合金相对耐磨性较差，在磨损过程中，NiCrBTi粘结合金先期被磨损掉，最终将导致c-BN单晶颗粒的脱落，降低复合材料的耐磨性。c-BN单晶颗粒的体积百分比含量过高，NiCrBTi粘结合金对c-BN单晶颗粒的固结、支撑和连接作用减弱，在进行磨损试验，受到较大载荷的作用致使c-BN单晶颗粒更易脱落，耐磨性降低。通过对比试验，c-BN单晶颗粒的体积百分比含量在25-30％时，c-BN仿生耐磨复合材料性价比最高，耐磨性最好。
耐磨复合材料的研发思路较多考虑基体材料和增强相的自身性能。单纯考虑材料自身性能对提高复合材料的耐磨性能是非常有限的。某些生物体材料具有良好的韧性和较高的硬度与耐磨性等综合性能，这是因为它们通过不同的形态、结构、材料和构成等彼此之间的耦合作用，表面具有不同尺度的多级结构。研究结果表明，c-BN仿生耐磨复合材料通过烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，使表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体可以显著提高其耐磨性能。非光滑凸包单元体的尺寸分布与所添加的增强硬质相的颗粒尺寸密切相关。通过对比试验，非光滑凸包单元体凸包直径与c-BN单晶颗粒的平均粒度之比为5时，耐磨性能最好，也即如果非光滑凸包单元体凸包直径为1mm，此时所选择的c-BN单晶颗粒的平均粒度应为200μm。
本发明所述的一种表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料，是采用塑性好的NiCrBTi作为粘结合金，NiCrBTi粉状粘结合金成分配比为(按重量百分比计Wt％)：Ni：60-70；Cr：10-20；B：2-5；Ti：10-15。c-BN超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相，在c-BN仿生耐磨复合材中所占体积百分比含量为25-30％，颗粒的平均粒度应为200μm。按设计配比混合均匀的NiCrBTi粉状粘结合金与c-BN单晶颗粒装入烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，应用SPS烧结技术制备出表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体的c-BN仿生耐磨复合材料。
本发明所述的一种表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料，其表面形态为多尺度结构，分别为模具成型的非光滑凸包单元体所构建的宏观毫米级形态，添加c-BN单晶颗粒增强硬质相所构建的微米级形态与SPS技术烧结NiCrBTi粉状粘结合金凝固形成的Ni固溶体及Ni3B、CrB、Cr5B3、TiNi、Ni3Ti、NiTi2等多种金属间化合物所构建的微观形态。此时，c-BN仿生耐磨复合材料包含的增强相为c-BN超硬材料单晶颗粒和多种金属间化合物。
本发明所述的采用SPS技术制备一种表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料，综合成分、材料和结构等多因素的作用，该技术具有升温速度快，烧结时间短，通常只需要3-10min，仅为传统烧结技术的1/100；短烧结温度低，一般比传统烧结技术温度低100-200℃，与钎焊法制备c-BN仿生耐磨复合材料比较，温度低200-300℃；颗粒分布均匀、利于控制烧结体的细微结构、获得材料的致密度较高等优点。在ML-100削盘式静载磨料磨损试验机上进行磨损试验结果表明，c-BN仿生耐磨复合材料的耐磨性为同等条件下淬火45钢的14-20倍。
本发明所述的一种表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料是这样实施的。采用颗粒大小为60-80μm，纯度为99.99％的Ni、Cr、B、Ti金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金再与c-BN单晶颗粒按一定配比混合均匀，装入烧结模具进行预压处理，采用SPS技术制备c-BN仿生耐磨复合材料。
附图说明：
图1c-BN仿生耐磨复合材料表面形态。
图2非光滑凸包单元体表面形态。
图3凸包与颗粒构建多尺度形态。
图4材料表面的3D形态。
图5材料内部微观结构。
图6粘结合金微观结构(图5中的A区)。
图7粘结合金与颗粒界面。
具体实施方式：
通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。
本发明所述的一种表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料，采用颗粒大小为60-80μm，纯度为99.99％的Ni、Cr、B、Ti金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金再与c-BN单晶颗粒按一定配比混合均匀，装入烧结模具进行预压处理，采用SPS技术制备c-BN仿生耐磨复合材料。NiCrBTi粉状粘结合金成分配比(按重量百分比计Wt％)：Ni：60-70；Cr：10-20；B：2-5；Ti：10-15。c-BN仿生耐磨复合材料中的c-BN单晶颗粒体积百分含量为25-30％，颗粒平均粒度为200μm。模具成型所构建的非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d＝1.0mm，凸包高度h＝0.5mm，凸包间距S＝2mm。
本发明所述的一种表面具有多尺度耦合结构的c-BN仿生耐磨复合材料，达到的技术指标：(1)耐磨性为同等条件下淬火45钢的14-20倍；(2)c-BN仿生耐磨复合材料冶金结合强度达到180-220Mpa。
下述所有实施例均采用颗粒大小为60-80μm，纯度为99.99％的Ni、Cr、B、Ti金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金再与c-BN单晶颗粒按一定配比混合均匀装入烧结模具进行预压处理，采用SPS技术制备c-BN仿生耐磨复合材料。c-BN仿生耐磨复合材料中的c-BN单晶颗粒体积百分含量为25-30％，颗粒平均粒度为200μm。模具成型所构建的非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d＝1.0mm，凸包高度h＝0.5mm，凸包间距S＝2mm。非光滑凸包单元体凸包直径与c-BN单晶颗粒的平均粒度之比为5。SPS烧结技术制备c-BN仿生耐磨复合材料的工艺参数均为：真空度控制在6×10-2Pa以上，烧结温度700-900℃，轴向压力20-30MPa，保温时间3-10min，升温速率控制在100℃/min。
实施例见下表1：
表1c-BN仿生耐磨复合材料的性能
Claims (2)
1.一种表面具有多尺度耦合结构的立方氮化硼仿生耐磨复合材料，其特征在于，所述的复合材料由NiCrBTi作为粘结合金和c-BN超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相组成，NiCrBTi粘结合金成分配比按重量百分比计Wt％：Ni：60-70，Cr：10-20，B：2-5，Ti：10-15，复合材料中的c-BN单晶颗粒所占体积百分含量为25-30％，颗粒平均粒度为200μm；
所述的c-BN仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d＝1.0mm，凸包高度h＝0.5mm，凸包间距S＝2mm。
2.用于权利要求1所述的一种表面具有立方氮化硼仿生耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
第一步，采用颗粒大小为60-80μm，纯度为99.99％的Ni、Cr、B、Ti金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金，NiCrBTi粉状粘结合金成分配比按重量百分比计Wt％：Ni：60-70；Cr：10-20；B：2-5；Ti：10-15，将按设计成分制备好的NiCrBTi粉状粘结合金再与c-BN单晶颗粒按一定体积配比混合均匀，c-BN仿生耐磨复合材料中的c-BN单晶颗粒体积百分含量为25-30％，颗粒平均粒度为200μm；
第二步，将按设计配比混合均匀的NiCrBTi粉状粘结合金与c-BN单晶颗粒装入烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，使c-BN仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d＝1.0mm，凸包高度h＝0.5mm，凸包间距S＝2mm；
第三步，采用SPS烧结技术制备c-BN仿生耐磨复合材料，采用SPS烧结技术制备c-BN仿生耐磨复合材料的工艺参数为：真空度控制在6×10-2Pa以上，烧结温度700-900℃，轴向压力20-30MPa，保温时间3-10min，升温速率控制在100℃/min。
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