CN103334022B - Al2O3颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法 - Google Patents

Abstract

Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，具体步骤如下：步骤1，将Al(NO₃)₃和无水乙醇混合后搅拌1h得到氢氧化铝酒精溶液，然后用氨水调节氢氧化铝酒精溶液pH值为8后继续搅拌2h得到氢氧化铝酒精溶胶；步骤2，将钨粉和铬粉缓慢加入步骤1得到的氢氧化铝酒精溶胶中后继续搅拌5h，然后过滤，用酒精清洗后再次过滤，反复2-3次得到粘稠状混合粉体；步骤3，将步骤2得到的粘稠状混合粉体烘干后压制成型、烧结，得到Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料。本发明克服了钨铬、氧化铝颗粒混粉不均匀、烧结体致密度差的缺点，其工艺简便灵活，设计自由度大，生产成本低，不受生产规模和批量的限制。

Description

Al2O3颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，涉及一种Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法。

背景技术

无缝钢管模具内嵌套是钢坯冷轧、挤压、减壁、扩孔等生产过程中的必不可少的模具内部件，当对内部的无缝钢管进行加工时，模具嵌套将受到巨大的冲击力和高温摩擦磨损，这就对该模具内嵌套的强度、脆性、抗冲击性能和高温摩擦磨损性能提出了很高的要求。

钨具有高密度、高强度、低热膨胀系数、抗腐蚀性和良好的机械加工等综合性能，但随着温度的升高钨的性能明显下降，有关研究指出，当温度升到1000℃以上，钨的强度可下降到80％左右，其脆性大大提高，严重限制了该材料在高温环境下的使用；铬不但具有钨的综合力学性能，同时还具有高温脆性低的特点；氧化铝具有高强度、高硬度、高耐磨性、高模量等特点，因此氧化铝颗粒增强钨铬双金属基复合材料可以兼顾三者的优良特性，保证了该模具内嵌套的使用性能和使用寿命。

由于氧化铝、钨铬材料巨大的密度差导致增强颗粒和基体二者具有较差的结合性和润湿性，因此原始的粉末冶金成型方法很难制得分散均匀、性能优良的复合材料。当前，该金属基复合材料的制备方法主要有氢气还原烧结法、离心注浆成型法、铝热反应法，但是这些方法有的工艺复杂，有的成本 高昂，有的制备的材料性能低下，都不适合批量生产与普及，因此迫切需要一种工艺简单、成本低廉、生产质量高的方法的产生。

溶胶凝胶自生粉末冶金法是以溶胶凝胶制得的胶体与钨铬粉末湿混的方法制得混合均匀的烧结坯体，再通过自生粉末冶金方法制得分散均匀、性能优良的Al₂O₃/W-Cr复合材料。该方法克服了钨铬、氧化铝颗粒混粉不均匀、烧结体致密度差的缺点，以及解决了由氧化铝颗粒活性低、结合力差导致的材料性能低下的问题，因此对类似难制备的颗粒增强金属基复合材料的制备方法的探索研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，解决了现有制备方法工艺复杂及制备得到的复合材料分散不均匀的问题。

本发明所采用的技术方案是，Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将Al(NO₃)₃和无水乙醇混合后搅拌1h得到氢氧化铝酒精溶液，然后用氨水调节氢氧化铝酒精溶液pH值为8后继续搅拌2h得到氢氧化铝酒精溶胶；

步骤2，将钨粉和铬粉缓慢加入步骤1得到的氢氧化铝酒精溶胶中后继续搅拌5h，然后过滤，用酒精清洗后再次过滤，反复2-3次得到粘稠状混合粉体；

步骤3，将步骤2得到的粘稠状混合粉体烘干后压制成型、烧结，得到Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料。

本发明的特点还在于，

步骤1中硝酸铝酒精溶液浓度为0.5mol/L，Al(NO₃)₃的质量根据化学式I和II、要制备的试样的总体积和Al₂O₃的体积分数5-10％，利用公式I和II计算得出：

Al(NO₃)₃+3NH₃·H₂O＝Al(OH)₃+3NH₄NO₃  I 

2Al(OH)₃＝Al₂O₃+3H₂O  II 

m₁＝V×vol₁％×ρ₁  I

$m_2=\frac{212}{50}{m}_1---\mathrm{II}$

式中，V为试样的总体积，m₁为Al₂O₃的质量，m₂为Al(NO₃)₃的质量，vol₁％为Al₂O₃的体积分数，ρ₁为Al₂O₃的真密度。

步骤2中钨粉和铬粉的体积比为3：2，钨粉的粒径为6μm，铬粉的粒径为5μm，钨粉和铬粉的质量根据公式III和IV计算得出：

m_w＝V×vol_w％×ρ₂  III

m_Cr＝V×vol_Cr％×ρ₃  IV

式中，m_w为钨粉质量，m_Cr为铬粉质量，vol_w％为钨的体积分数，vol_Cr％为铬的体积分数，ρ₂为钨的真密度，ρ₃为铬的真密度。

步骤3中烘干在SHD电热式干燥箱进行，烘干时间为20h，烘干温度为100℃。

步骤3中压制成型在Φ10的不锈钢模具中进行，压力为500Mpa，保压时间30s。

步骤3中烧结在ZT-50-20Y真空热压烧结炉中进行，保护气氛为氩气，从室温以5℃/min升温速度升至200℃保温30min，随后以8℃/min升温速度继续升温至1200℃保温1h，最后升温至烧结温度1500-1700℃，并保温30-60min。

本发明的有益效果是，本发明Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，克服了钨铬、氧化铝颗粒混粉不均匀、烧结体致密度差的缺点，解决了由于氧化铝颗粒活性低、结合力差导致的材料性能低下的问题。本发明工艺简便灵活，设计自由度大，生产成本低，不受生产规模和批量的限制。

附图说明

图1是本发明Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法的流程图；

图2是本发明实施例1制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料×200的显微组织图；

图3是本发明的实施例1制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料×1000的显微组织图；

图4是本发明的方法实施例1制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料的X射线衍射图谱；

图5是本发明的实施例2制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料×200的显微组织图；

图6是本发明的实施例2制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料×1000的显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将Al(NO₃)₃和无水乙醇混合后搅拌1h得到浓度为0.5mol/L氢氧化铝酒精溶液，然后用氨水调节氢氧化铝酒精溶液pH值为8后继续搅拌 2h得到氢氧化铝酒精溶胶；Al(NO₃)₃的质量根据化学式I和II、要制备的试样的总体积和Al₂O₃的体积分数5-10％，利用公式I和II计算得出：

Al(NO₃)₃+3NH₃·H₂O＝Al(OH)₃+3NH₄NO₃  I 

2Al(OH)₃＝Al₂O₃+3H₂O  II 

m₁＝V×vol₁％×ρ₁  I

$m_2=\frac{212}{50}{m}_1---\mathrm{II}$

式中，V为试样的总体积，m₁为Al₂O₃的质量，m₂为Al(NO₃)₃的质量，vol₁％为Al₂O₃的体积分数，ρ₁为Al₂O₃的真密度；

步骤2，将粒径为6μm的钨粉和粒径为5μm的铬粉缓慢加入步骤1得到的氢氧化铝酒精溶胶中后继续搅拌5h，然后过滤，用酒精清洗后再次过滤，反复2-3次得到粘稠状混合粉体；钨粉和铬粉的体积比为3：2，钨粉和铬粉的质量根据公式III和IV计算得出：

m_w＝V×vol_w％×ρ₂  III

m_Cr＝V×vol_Cr％×ρ₃  IV

式中，m_w为钨粉质量，m_Cr为铬粉质量，vol_w％为钨的体积分数，vol_Cr％为铬的体积分数，ρ₂为钨的真密度，ρ₃为铬的真密度；

步骤3，将步骤2得到的粘稠状混合粉体在SHD电热式干燥箱烘干，烘干时间为20h，烘干温度为100℃；然后在在Φ10的不锈钢模具中压制成型，压力为500Mpa，保压时间30s；最后在ZT-50-20Y真空热压烧结炉中烧结，保护气氛为氩气，从室温以5℃/min升温速度升至200℃保温30min排除结晶水以避免试样爆裂，随后以8℃/min升温速度继续升温至1200℃保温1h促使Al(OH)₃全部转化为α-Al₂O₃，最后升温至烧结温度1500-1700℃，并保温30-60min，得到Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料。

本发明Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，克服了钨铬、氧化铝颗粒混粉不均匀、烧结体致密度差的缺点，解决了由于氧化铝颗粒活性低、结合力差导致的材料性能低下的问题。本发明工艺简便灵活，设计自由度大，生产成本低，不受生产规模和批量的限制。

实施例1

步骤1，按Al₂O₃的体积分数10％，将1.298g Al(NO₃)₃和25ml无水乙醇混合后搅拌1h得到浓度为0.5mol/L氢氧化铝酒精溶液，然后用氨水调节氢氧化铝酒精溶液pH值为8后继续搅拌2h得到氢氧化铝酒精溶胶；

步骤2，将8.181g粒径为6μm的钨粉和2.032g粒径为5μm的铬粉缓慢加入步骤1得到的氢氧化铝酒精溶胶中后继续搅拌5h，然后过滤，用酒精清洗后再次过滤，反复3次得到粘稠状混合粉体；

步骤3，将步骤2得到的粘稠状混合粉体在SHD电热式干燥箱烘干，烘干时间为20h，烘干温度为100℃；然后在在Φ10的不锈钢模具中压制成型，压力为500MPa，保压时间30s；最后在ZT-50-20Y真空热压烧结炉中烧结，保护气氛为氩气，从室温以5℃/min升温速度升至200℃保温30min排除结晶水以避免试样爆裂，随后以8℃/min升温速度继续升温至1200℃保温1h促使Al(OH)₃全部转化为α-Al₂O₃，最后升温至烧结温度1500℃，并保温60min，得到Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料。

实施例2

步骤1，按Al₂O₃的体积分数5％，将0.649g Al(NO₃)₃和13ml无水乙醇混合后搅拌1h得到浓度为0.5mol/L氢氧化铝酒精溶液，然后用氨水调节氢氧化铝酒精溶液pH值为8后继续搅拌2h得到氢氧化铝酒精溶胶；

步骤2，将8.636g粒径为6μm的钨粉和2.145g粒径为5μm的铬粉缓慢 加入步骤1得到的氢氧化铝酒精溶胶中后继续搅拌5h，然后过滤，用酒精清洗后再次过滤，反复3次得到粘稠状混合粉体；

步骤3，将步骤2得到的粘稠状混合粉体在SHD电热式干燥箱烘干，烘干时间为20h，烘干温度为100℃；然后在在Φ10的不锈钢模具中压制成型，压力为500Mpa，保压时间30s；最后在ZT-50-20Y真空热压烧结炉中烧结，保护气氛为氩气，从室温以5℃/min升温速度升至200℃保温30min排除结晶水以避免试样爆裂，随后以8℃/min升温速度继续升温至1200℃保温1h促使Al(OH)₃全部转化为α-Al₂O₃，最后升温至烧结温度1700℃，并保温30min，得到Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料。

实施例3

步骤1，按Al₂O₃的体积分数8％，将1.057gAl(NO₃)₃和20ml无水乙醇混合后搅拌1h得到浓度为0.5mol/L氢氧化铝酒精溶液，然后用氨水调节氢氧化铝酒精溶液pH值为8后继续搅拌2h得到氢氧化铝酒精溶胶；

步骤2，将8.385g粒径为6μm的钨粉和2.077g粒径为5μm的铬粉缓慢加入步骤1得到的氢氧化铝酒精溶胶中后继续搅拌5h，然后过滤，用酒精清洗后再次过滤，反复3次得到粘稠状混合粉体；

步骤3，将步骤2得到的粘稠状混合粉体在SHD电热式干燥箱烘干，烘干时间为20h，烘干温度为100℃；然后在在Φ10的不锈钢模具中压制成型，压力为500Mpa，保压时间30s；最后在ZT-50-20Y真空热压烧结炉中烧结，保护气氛为氩气，从室温以5℃/min升温速度升至200℃保温30min排除结晶水以避免试样爆裂，随后以8℃/min升温速度继续升温至1200℃保温1h促使Al(OH)₃全部转化为α-Al₂O₃，最后升温至烧结温度1600℃，并保温45min，得到Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料。

图2和图3是本发明实施例1制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料的显微组织图，从图2的200倍显微组织图中可以看到本发明实施例1制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料中氧化铝分布较为均匀，钨和铬基体混合也相当均匀，从图3的1000倍显微组织图中可以看到氧化铝粒子很好地镶嵌于钨铬基体中，没有脱落粒子出现。

图4是本发明实施例1制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料的X射线衍射图谱，从图4中可以看出，烧结后的复合材料由氧化铝、钨和铬组成，烧结过程中氢氧化铝全部转化为氧化铝增强颗粒。

图5和图6是本发明实施例2制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料的显微组织图，从图5的200倍显微组织图中可以看到本发明实施例2制备的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料中氧化铝分布较为均匀，钨和铬基体混合也相当均匀，从图6的1000倍显微组织图中可以看到氧化铝粒子很好地镶嵌于钨铬基体中，没有脱落粒子出现。

Claims (6)

1.Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将Al(NO₃)₃和无水乙醇混合后搅拌1h得到氢氧化铝酒精溶液，然后用氨水调节氢氧化铝酒精溶液pH值为8后继续搅拌2h得到氢氧化铝酒精溶胶；

步骤2，将钨粉和铬粉缓慢加入步骤1得到的氢氧化铝酒精溶胶中后继续搅拌5h，然后过滤，用酒精清洗后再次过滤，反复2-3次得到粘稠状混合粉体；

步骤3，将步骤2得到的粘稠状混合粉体烘干后压制成型、烧结，得到Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料。

2.根据权利要求1所述的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤1中硝酸铝酒精溶液浓度为0.5mol/L，Al(NO₃)₃的质量根据化学式I和II、要制备的试样的总体积和Al₂O₃的体积分数5-10％，利用公式I和II计算得出：

Al(NO₃)₃+3NH₃·H₂O＝Al(OH)₃+3NH₄NO₃     I

2Al(OH)₃＝Al₂O₃+3H₂O        II

m₁＝V×vol₁％×ρ₁        I

$m_2=\frac{212}{50}{m}_1---\mathrm{II}$

式中，V为试样的总体积，m₁为Al₂O₃的质量，m₂为Al(NO₃)₃的质量，vol₁％为Al₂O₃的体积分数，ρ₁为Al₂O₃的真密度。

3.根据权利要求1或2所述的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤2中钨粉和铬粉的体积比为3：2，钨粉的粒径为6μm，铬粉的粒径为5μm，钨粉和铬粉的质量根据公式III和IV计算得出：

m_w＝V×vol_w％×ρ₂     III

m_Cr＝V×vol_Cr％×ρ₃     IV

式中，m_w为钨粉质量，m_Cr为铬粉质量，vol_w％为钨的体积分数，vol_Cr％为铬的体积分数，ρ₂为钨的真密度，ρ₃为铬的真密度。

4.根据权利要求3所述的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤3中烘干在SHD电热式干燥箱进行，烘干时间为20h，烘干温度为100℃。

5.根据权利要求4所述的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤3中压制成型在Φ10的不锈钢模具中进行，压力为500MPa，保压时间30s。

6.根据权利要求5所述的Al₂O₃颗粒增强W/Cr双金属基复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤3中烧结在ZT-50-20Y真空热压烧结炉中进行，保护气氛为氩气，从室温以5℃/min升温速度升至200℃保温30min，随后以8℃/min升温速度继续升温至1200℃保温1h，最后升温至烧结温度1500-1700℃，并保温30-60min。