CN102676956B - 一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属基复合材料，具体而言为涉及一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法。本发明将反应物Al和Fe₂O₃（或者Fe₂O₃+Cr₂O₃）粉末均匀混合并通过成型、预烧结做成粒状，然后做成预成型体，以保证铁水或钢水在反应物预成型体中的渗透，实现复合层灵活设计，通过铁水的加热作用引发反应物之间的原位化学反应，获得高硬度的增强相，并通过反应放热保证铁水保持较高温度，通过铁水或钢水持续向反应物预成型体中及反应产物之间浸渗实现材料致密化。

Description

一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料，具体而言为涉及一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法。

技术背景

耐磨材料需要同时具有高硬度和高韧性，整体复合虽提高了强度，却大大降低了韧性，而磨损通常只发生在零件的特定表面，此外，整体复合材料不利于回收与再利用，造成材料浪费和环境污染；因此，材料研究者开发了在韧性基材（如钢铁）表面生成一层高硬度耐磨层的表面复合材料，这种复合材料兼具良好的表面耐磨性和基体韧性，可满足实际工况对零件提出表面或局部耐磨的要求；不同的工况条件，对材料的使用性能要求不同，设计表面复合材料时，增强相/基体复合体系的合理选择与组合十分重要，通常根据工作温度、耐磨性能、韧性、强度等的要求不同选择不同的铁基体，再配合适当的增强相来制备铁基表面复合材料；目前，国内外对铁基表面复合材料的研究所选用的基体大多为45钢、20钢、HT200等系列铁合金、抗磨铸铁以及高锰钢等，对铁合金，在冶炼时大多数都加入一些合金化元素，以保证基体的韧性，理论上讲，可选用高硬度、高刚度、难熔的碳化物、氧化物、硼化物和氮化物等陶瓷材料作为铁基表面复合材料增强相，其中，碳化物陶瓷与铁基体具有良好的润湿性，成为铁基表面复合材料增强相的理想选择。

目前，制备铁基表面复合材料主要侧重于传统的外加颗粒的方法，它存在以下不足：外加颗粒和基体的相容性不好，且不可避免有表面污染和附着物，导致与基体的界面结合不牢；外加颗粒的尖角对基体有割裂作用，可能导致裂纹，使材料断裂失效，因而，其增强作用不能得到充分发挥；八十年代中后期，材料工作者发明了原位自生复合法，又称原位内生复合法，其显著特点是：①增强体是从金属基体内部原位形核长大的热力学稳定相，与基体结合良好；②通过优化设计和工艺参数，可以得到不同尺寸、数量的增强体，还可调整它们的分布；③节省了单独合成、加工、加入和分散增强体的工序，简化了工艺，减少了设备，降低成本；④利用液态原位反应合成工艺，可铸造制备形状复杂的零件；⑤原位合成的颗粒增强相无明显的尖角且颗粒尺寸较小等；它克服了外加颗粒的种种弊端，在当前材料制备中得到了飞速的发展，部分产品已经达到实用化，具体方法有：高能束表面原位熔覆法、涂覆铸造法（又称反应铸渗法）、原位反应喷涂法、SHS（自蔓延高温合成）铸造技术、离心自蔓延法等。

然而，原位自生金属基复合材料的工业应用还有许多难题亟需深入研究和解决，主要表现为：1）制备技术还不是很成熟，各种制备工艺的参数还处于实验室的优化、探索阶段；工艺参数对制备出来的材料中基体和增强体的结合强度的影响还没规律化；得到的材料有的存在较大的缺陷，致密性不能适应越来越高的工况条件，有材料工作者用激光重熔和热等静压等进行二次处理，虽大大提高了复合层的质量，但也同时提高了成本；2）由于陶瓷相和金属的热物理性能(如热膨胀系数和热导率等)差别较大，容易造成应力集中，产生裂纹。

在铁基复合材料中，最常用的陶瓷增强材料是Al₂O₃、SiC和TiC；其中，Al₂O₃陶瓷与Fe熔液的润湿性差(润湿角为140°左右)，无界面反应；SiC陶瓷材料与Fe熔液在高温下产生剧烈的化学反应，生成脆性相铁硅化合物和片状石墨组织存在于界面之间，恶化陶瓷−金属界面；TiC陶瓷与Fe熔液之间的润湿性较好，两者之间无界面反应；对SiC陶瓷材料表面处理和调整铁合金成分以弱化或阻止两者之间的化学反应，降低破坏界面结合的有害物质的生成；对于TiC陶瓷/铁基合金复合材料，在于改善制备工艺及调整合金元素或添加合金元素进一步改善润湿性，以提高界面结合能力；理想的界面结合是获得陶瓷增强铁合金基复合材料的关键所在，为了改善陶瓷/铁基合金的界面结合状况，需要对Al₂O₃陶瓷进行表面处理和调整铁合金的化学成分以提高两者的润湿性，采用原位反应法制备Al₂O₃陶瓷颗粒增强的复合材料是比较有效的方法之一，其工艺路线为：球磨+冷压成型+烧结；研究表明：将Fe、Al和Fe₂O₃粉末混合，在1500℃下制得Al₂O₃/FeAl合金材料，其致密度可达95%。所发生的反应如下：4Al+Fe₂O₃→Al₂O₃+2FeAl；Al+Fe→FeAl，由于FeAl与Al₂O₃相通过反应生成，两者结合的界面清洁，无杂质存在于界面上，因此具有良好的结合作用。

大量研究表明，熔体浸渗法是目前制备铁基表面复合材料的最合适的复合工艺，但并不是最佳的工艺；从现有的研究看，由于增强材料和制备工艺的限制，表面复合层的厚度往往不超过10mm，很多情况下难以满足对耐磨层厚度的要求，通过反应烧结方法获得的复合材料，可以获得很好的界面结合，且耐磨层厚度可以保证，但通常又存在反应过程难以控制及复合材料致密性较低的问题；因此，需要研究开发出适合的新型制备工艺，制备出复合层厚度可控、致密，耐磨性能好的铁基复合材料。

发明内容

本发明提出一种原位合成铁基复合材料的制备方法，其原理是：将反应物Al和Fe₂O₃（或者Fe₂O₃+Cr₂O₃）粉末均匀混合并通过成型、预烧结做成粒状，然后做成预成型体，以保证铁水或钢水在反应物预成型体中的渗透，实现复合层灵活设计，通过铁水的加热作用引发反应物之间的原位化学反应，获得高硬度的增强相，并通过反应放热保证铁水保持较高温度，通过铁水或钢水持续向反应物预成型体中及反应产物之间浸渗实现材料致密化。

具体而言为：一种原位合成铁基复合材料的制备方法，将Al、Fe₂O₃或Al、Fe₂O₃、Cr₂O₃粉末均匀混合，在压力下压制成粉末坯料，然后对粉末坯料进行预烧结，将经过预烧结的混合物进行破碎和筛分，随机堆放在指定高度的钢丝网架上并将钢丝网架固定在待复合的位置，或者通过粘结剂粘结制作成多孔的预成型体放置在待复合的位置，然后合型浇注，在铁水或者钢水的作用下预成型体发生反应并与铁水或者钢水复合，从而形成铁基复合材料。

所涉及的在压力下压制成粉末坯料，是指在20~120MPa的压力下，采用高强度模具，将均匀混合的Al和Fe₂O₃粉末或Al、Fe₂O₃和Cr₂O₃原料压制成直径3~15mm、长5~15mm的粉末坯料，Al和Fe₂O₃粉末形成的混合粉末中，Al和Fe₂O₃粉末的质量比为3:2~5:2，Al、Fe₂O₃和Cr₂O₃粉末形成的混合粉末中，Al粉：Fe₂O₃和Cr₂O₃两者粉末的质量比为3:2~5:2，Cr₂O₃粉末能以任何质量比代替Fe₂O₃粉末。

所涉及的对粉末坯料进行预烧结，是指在氮气保护下将粉末坯料在120~150℃预热30~40min，并在600~700℃对粉末坯料加热20~30min。

所涉及的把经过预烧结的混合物进行破碎和筛分，是指采用机械方法对预烧结后的粉末坯料进行破碎，并通过筛分获得0.3~3.0mm的粉末混合物预烧结颗粒。

所涉及的指定高度的钢丝网架，是指采用钢丝网做成的高度与要获得的陶瓷复合层厚度相同的上端开口的框架，其中钢丝网的网孔尺寸小于2mm。

所涉及的将钢丝网架固定在待复合的位置，是指采用悬挂或支撑的方法使钢丝网架固定在型腔的上表面。

所涉及的通过粘结剂粘结制作成多孔的预成型体，是指采用占颗粒状反应物质量2~3%的水玻璃或者3~5%的普通粘土作为粘结剂，将颗粒状反应物预烧结材料粘结在一起并获得强度为40~60MPa的预成型体。

所涉及的合型浇注，是指将铸型合模后采用基体合金采用通常的浇注温度和浇注速度进行浇注。

本发明提出的方法适应性强，可以通过把钢丝网架作成各种需要的形状，灵活布置反应物预成型体；通过该方法获得的复合材料致密度高，由于反应过程放热，可以保证铁水保持较长时间不发生凝固，使铁水向预成型体浸渗更加充分；另外，该方法工艺实现容易，由于反应过程放热，因此在对铁水浇注温度、浇注速度要求不太苛刻的条件下即能实现复合层与基体的有效结合。

附图说明

图1为 -Al₂O₃颗粒增强高铬铸铁复合材料的显微组织。

具体实施方式

本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例 1

将Al、Fe₂O₃粉末以质量分数3：2的比例进行均匀混合，在20MPa的压力下，采用高强度模具将混合好的粉末原料压制成直径3mm、长5mm的粉末坯料；然后在氮气保护下条将粉末坯料在120℃预热30min，并在600℃对粉末坯料加热30min；然后把预烧结后的粉末坯料破碎，通过筛分获得0.3mm的粉末混合物颗粒；采用2wt.%水玻璃为粘结剂，将颗粒状反应物预烧结材料粘结在一起并通过烘干形成强度为40MPa的预成型体，然后将铸型合模，在1400℃连续浇入高铬铸铁，从而形成铁基复合材料。

图1为

-Al₂O₃颗粒增强高铬铸铁复合材料的显微组织，从图中可以看出，该复合材料中的增强颗粒分布比较均匀，尺寸在5~20μm；磨损试验表明，在压应力为80MPa，滑动磨损速率为80m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，所制备的铁基复合材料的磨损失重为高铬铸铁的35%。

实施例 2

将Al、Fe₂O₃以质量分数5：2的比例进行粉末均匀混合，在120MPa的压力下，采用高强度模具将混合好的粉末原料压制成直径15mm、长15mm的粉末坯料；然后在氮气保护下将粉末坯料在150℃预热40min，并在700℃对粉末坯料加热20min；然后把预烧结后的粉末坯料破碎，通过筛分获得3.0mm的粉末混合物颗粒；采用钢丝网做成的高20mm上端开口的框架，网孔尺寸2mm，将粉末混合物颗粒随机放入钢丝网框架中，采用悬挂方法使钢丝网架固定在型腔的上表面，然后将铸型合模，在1420℃连续浇入高铬铸铁，从而形成铁基复合材料。

磨损试验表明，在压应力为100MPa，滑动磨损速率为50m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，新型铁基复合材料的磨损失重为高铬铸铁的40%。

实施例 3

将Al、Fe₂O₃以质量分数2：1的比例进行粉末均匀混合，在80MPa的压力下，采用高强度模具将混合好的粉末原料压制成直径8mm、长10mm的粉末坯料；然后在氮气保护下将粉末坯料在140℃预热35min，并在650℃对粉末坯料加热25min；然后把预烧结后的粉末坯料破碎，通过筛分获得1.2mm的粉末混合物颗粒；采用3wt.%的普通粘土为粘结剂，将颗粒状反应物预烧结材料粘结在一起并通过烘干形成强度为50MPa的预成型体，然后将铸型合模，在1380℃连续浇入高铬铸铁，从而形成铁基复合材料。

磨损试验表明，在压应力为50MPa，滑动磨损速率为100m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，新型铁基复合材料的磨损失重为高铬铸铁的30%。

实施例 4

将Al、Fe₂O₃、Cr₂O₃以质量分数3：1：1的比例进行粉末均匀混合，在100MPa的压力下，采用高强度模具将混合好的粉末原料压制成直径10mm、长15mm的粉末坯料；然后在氮气保护下将粉末坯料在150℃预热30min，并在650℃对粉末坯料加热30min；然后把预烧结后的粉末坯料破碎，通过筛分获得2.5mm的粉末混合物颗粒；采用钢丝网做成的高30mm上端开口的框架，网孔尺寸2mm，将粉末混合物颗粒随机放入钢丝网框架中，采用插铁钉支撑的方法使钢丝网架固定在型腔的上表面，然后将铸型合模，在1500℃连续浇入铸钢，从而形成钢基复合材料。

磨损试验表明，在压应力为60MPa，滑动磨损速率为60m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，所制备的钢基复合材料的磨损失重为高铬铸铁的45%。

实施例 5

将Al、Fe₂O₃、Cr₂O₃以质量分数5：1：1的比例进行粉末均匀混合，在120MPa的压力下，采用高强度模具将混合好的粉末原料压制成直径8mm、长10mm的粉末坯料；然后在氮气保护下将粉末坯料在150℃预热30min，并在700℃对粉末坯料加热20min；然后把预烧结后的粉末坯料破碎，通过筛分获得0.5mm的粉末混合物颗粒，采用3wt.%水玻璃为粘结剂，将颗粒状反应物预烧结材料粘结在一起形成强度为60MPa的预成型体，然后将铸型合模，在1520℃连续浇入铸钢，从而形成钢基复合材料。

磨损试验表明，在压应力为40MPa，滑动磨损速率为120m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，所制备的钢基复合材料的磨损失重为高铬铸铁的40%。

实施例 6

将Al、Cr₂O₃以质量分数5：2的比例进行粉末均匀混合，在90MPa的压力下，采用高强度模具将混合好的粉末原料压制成直径5mm、长10mm的粉末坯料；然后在氮气保护下将粉末坯料在140℃预热35min，并在660℃对粉末坯料加热30min；然后把预烧结后的粉末坯料破碎，通过筛分获得1.0mm的粉末混合物颗粒；采用5wt.%的普通粘土为粘结剂，将颗粒状反应物预烧结材料粘结在一起并通过烘干形成强度为55MPa的预成型体，然后将铸型合模，在1450℃连续浇入高铬铸铁，从而形成铁基复合材料。

磨损试验表明，在压应力为50MPa，滑动磨损速率为120m/s时，以砂轮为对磨材料磨损30min，新型铁基复合材料的磨损失重为高铬铸铁的30%。

Claims (7)

1.一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于：将Al、Fe₂O₃或Al、Fe₂O₃、Cr₂O₃粉末均匀混合，在压力下压制成粉末坯料，然后对粉末坯料进行预烧结，将经过预烧结的混合物进行破碎和筛分，随机堆放在指定高度的钢丝网架上并将钢丝网架固定在待复合的位置，或者通过粘结剂粘结制作成多孔的预成型体放置在待复合的位置，然后合型浇注，在铁水或者钢水的作用下预成型体发生反应并与铁水或者钢水复合，从而形成铁基复合材料；所述的在压力下压制成粉末坯料，是指在20~120MPa的压力下，采用高强度模具，将均匀混合的Al和Fe₂O₃粉末或Al、Fe₂O₃和Cr₂O₃原料压制成直径3~15mm、长5~15mm的粉末坯料，Al和Fe₂O₃粉末形成的混合粉末中，Al和Fe₂O₃粉末的质量比为3:2~5:2，Al、Fe₂O₃和Cr₂O₃粉末形成的混合粉末中，Al粉：Fe₂O₃和Cr₂O₃两者粉末的质量比为3:2~5:2，Cr₂O₃粉末能以任何质量比代替Fe₂O₃粉末。

2.如权利要求1所述的一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述的对粉末坯料进行预烧结，是指在氮气保护下将粉末坯料在120~150℃预热30~40min，并在600~700℃对粉末坯料加热20~30min。

3.如权利要求1所述的一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述的把经过预烧结的混合物进行破碎和筛分，是指采用机械方法对预烧结后的粉末坯料进行破碎，并通过筛分获得0.3~3.0mm的粉末混合物预烧结颗粒。

4.如权利要求1所述的一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述的指定高度的钢丝网架，是指采用钢丝网做成的高度与要获得的陶瓷复合层厚度相同的上端开口的框架，其中钢丝网的网孔尺寸小于2mm。

5.如权利要求1所述的一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述的将钢丝网架固定在待复合的位置，是指采用悬挂或支撑的方法使钢丝网架固定在型腔的上表面。

6.如权利要求1所述的一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述的通过粘结剂粘结制作成多孔的预成型体，是指采用占颗粒状反应物质量2~3%的水玻璃或者3~5%的普通粘土作为粘结剂，将颗粒状反应物预烧结材料粘结在一起并获得强度为40~60MPa的预成型体。

7.如权利要求1所述的一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述的合型浇注，是指将铸型合模后采用基体合金采用通常的浇注温度和浇注速度进行浇注。