CN103447504A - 一种仿生耦合耐磨材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生耦合耐磨材料的制备方法，该方法是将Cu-Ti-B₄C体系粉末压制成长方形预制块，按一定排布规律放置在铸件容易磨损失效部位，浇铸基体钢液，依靠浇入钢液的高温引燃Cu-Ti-B₄C预制块发生自蔓延反应，形成的TiC-TiB₂陶瓷/[Fe,Cu]长方形仿生硬质单元体以一定的分布规律复合在柔韧的钢基体上，从而制备出一种强度、硬度与韧性兼具的仿生耦合耐磨材料。本发明制备的仿生耦合耐磨材料具有良好的耐磨性，并且制备工艺简便、能耗低，易于推广应用，为工程部件减摩、抗磨问题提供一种行之有效的仿生耐磨新方法。

Description

一种仿生耦合耐磨材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种在摩擦磨损和磨粒磨损工况条件下使用的仿生耦合耐磨材料的制备方法。 

背景技术

工程中随处可见的磨损问题造成了极大的经济损失，磨损失效也是机械事故高发的重要原因，因此，提高机械部件材料的耐磨性能，是众多工程领域亟待解决的问题。目前，国内外对于传统的机械抗磨材料进行了一系列的材料改性或表面硬化处理等研究，同时，也致力于开发新型耐磨材料。但是，上述针对材料减摩、耐磨问题的研究，仍存在较多不足，主要表现在： 

①调节成分以改进和优化材料耐磨性能，不同的机械零件材料具有不同的局限性，使材料应用受到限制； 

②虽然提高了材料的磨损性能，但却因此导致了其他方面性能的下降； 

③开发一些新型耐磨材料研究存在工艺复杂、制造成本高，资源浪费严重等问题，同时，不易实现大体积和复杂耐磨部件制造等问题。由此可见，有关提高机械部件材料减摩、抗磨设计与制备技术的研究亟待探索。 

自然界中许多生物体具有优异减摩、耐磨功能，它们在有磨损发生的环境中生存，对沙粒等硬物的磨损具有与生俱来的耐受能力，如蝼蛄、蜣螂、穿山甲、潮间带贝类以及生活在沙漠地区的沙漠蜥蜴等。研究发现，这些长期穿梭于砂石和土壤等硬物中的生物体表普遍存在几何非光滑形态特征，即一定几何形状（凸包形、凹坑形、条纹形等）的结构单元随机地或规律地分布于体表某些易磨损部位。这些非光滑单元体在力学特性上可表现为刚性的、弹性的或柔 性的等等，通过化合、融合、复合、嵌合等方式与机体结合。同时，耐磨生物易磨损部位不仅具有非光滑形态，还具有特殊的结构和多相材料等特征，如贝壳体表不仅具有条纹形非光滑形态特征，而且其内部的珍珠层是由易碎的硬质陶瓷碳酸钙（文石）和柔韧的有机质以“砖泥”结构交替层叠排列组成，具有良好的耐磨性。 

生物多因素耦合耐磨特性，为工程材料减摩、抗磨研究提供了重要的仿生理念和天然的生物蓝本，亦为开发新型的减摩、抗磨技术带来了启示。 

发明内容

本发明打破传统工程材料抗磨损研究理念，将生物特殊形态、复合结构和多相材料等多因素协同、耦合耐磨功能原理，应用于工程材料设计与制备中，目的是提供一种工艺简便、设备简单、能耗低，且易于推广应用的仿生耦合耐磨材料的制备方法，立足于解决具有重大科学和工程应用背景的减摩、耐磨问题。本发明采用仿生学理念，寻求合理的仿生耦合耐磨材料设计方法，开发简单实用的适合简单与复杂部件的仿生耦合耐磨材料制备工艺，从而为制备耐磨功能最优化、磨损工况适应最佳化、本身能量消耗最低化的仿生耦合耐磨材料和开发仿生耦合耐磨新技术奠定基础。 

本发明的方法是：将Cu-Ti-B₄C体系粉末压制成长方形单元体，按一定排布规律放置在铸件容易磨损失效部位，浇铸基体钢液，依靠浇入钢液的高温引燃Cu-Ti-B₄C体系单元体预制块发生自蔓延反应，形成的TiC-TiB₂陶瓷/[Fe,Cu]长方形仿生硬质单元体以一定的分布规律复合在柔韧的钢基体上，从而制备出一种强度、硬度与韧性兼具的仿生耦合耐磨材料。 

浇铸基体钢液后，形成的硬质仿生单元体材料是由TiC、TiB₂、Fe和Cu组成，其中，TiC陶瓷为椭球形，TiB₂陶瓷为六棱柱形，尺寸为微米级。 

具体工艺过程包括仿生单元体压坯制备和反应形成仿生耦合耐磨材料两个阶段： 

1）仿生单元体压坯制备： 

a.仿生单元体压坯材料组成：压坏原材料为粉末状，由粒度小于100μm的Cu粉、Ti粉和B₄C粉组成，其中，Cu的重量百分比为10%～60%，其余为Ti粉和B₄C粉，反应合成的TiC和TiB₂摩尔比1：2； 

b.混料：按照上述比例称取粉料，并装入球磨机中混料8±1小时，混合均匀； 

c.仿生单元体压坯制备：把混合均匀的压坯原材料放入模具中，在室温下压制成长方形单元体压坯，长为20mm～100mm，宽为5mm～30mm，高为10mm～40mm，且仿生单元体压坯紧实率为理论密度的60±5%； 

2）反应形成仿生耦合耐磨材料： 

a.仿生单元体压坯真空除气处理：将压制好的压坯放入真空加热装置内，真空度≥10^-1Mpa，以20℃/min的加热速率加热至300℃～400℃，除气2h～3h； 

b.铸型要求：钢液浇铸采用沙型； 

c.基体钢液要求：为了能够引燃预仿生单元体压坯发生自蔓延高温合成反应生成TiC-TiB₂陶瓷/[Fe,Cu]硬质仿生单元体，钢液温度为1400℃～1500℃； 

d.仿生单元体压坯在铸型内的放置：在铸件需增强的部位放置已真空出气处理的仿生单元体压坯，压坯间距0.5cm～5cm； 

e.浇铸基体钢液引燃单元体压坯反应合成仿生耦合耐磨材料。 

本发明与目前已有的技术相比的有益效果： 

1、本发明基于生物易磨损部位分布硬质单元体以减摩、耐磨的原理，将金属液内原位自蔓延燃烧合成法与铸造法相结合，依靠浇入钢液的高温引燃Cu-Ti-B₄C体系单元体预制块发生自蔓延反应，钢液渗于仿生单元体压坯内，在 压坯处形成TiC-TiB₂陶瓷/[Fe,Cu]长方形仿生硬质单元体，其以一定的分布规律复合在柔韧的钢基体上。钢液在引燃硬质单元体自蔓延反应过程中，便与之产生了良好的冶金结合，这不仅省去了硬质单元体单独合成及与基体的连接工序，简化了工艺，而且具有较高的连接质量，因此，这种仿生设计理念与制造技术符合自然界生物以最低物质和能量消耗来满足最大的功能需求原理。 

2、在微观上，仿生硬质单元体是由硬质TiC、TiB₂陶瓷和韧性钢基体([Fe,Cu])组成，形成“硬相”与“韧相”相结合的特点；在宏观上，仿生条纹形硬质单元体规律地复合在钢基体上，形成“硬相”与“韧相”相结合的特点，因此，本发明制备的仿生耦合耐磨材料在微观和宏观上，皆具有“刚性强化”和“柔性吸收”的耦合特性，在磨损过程中，应力会得到双重吸收与缓释，有利于进一步提高磨损抗力。同时，根据不同的磨损工况，通过改变TiC和TiB₂陶瓷的含量可调节仿生硬质单元体的综合性能，以改变仿生耦合耐磨材料的磨损性能。制备出的仿生耦合耐磨材料磨损性能得到很大提高，见表1。 

3、本发明采用的仿生设计理念与制造技术不仅适合简单零部件制造，而且适合形状复杂的零部件的制造，并较好地解决了在一个零件中同时要求多种性能优化组合的材料设计关键难题，即在易磨损失效部位进行仿生耦合耐磨设计，而非失效部位仍为金属基体，具有高的强韧性，承受着各种交变载荷对零件的摩擦与磨损，使零件高寿命地服役。 

表1：仿生耦合耐磨材料的耐磨性 

注耐磨性测试在载荷为25N，600目碳化硅磨粒磨损工况下进行。 

附图说明

图1是仿生单元体压坯在铸型中的分布示意图。 

图2是仿生耦合耐磨材料成型后示意图。 

图3是仿生耦合耐磨材料单元体区与钢基体区界面照片。 

图4是仿生耦合耐磨材料单元体区XRD分析图。 

图5是仿生单元体微观组织照片。 

图6是仿生单元体区基体EDS分析图。 

具体实施方式

实施例1： 

制取单元体中含90wt.%TiC-TiB₂陶瓷的仿生耦合耐磨材料 

在单元体压坯材料中，取Cu粉（平均粒径小于75μm，纯度99.5%），Ti粉（平均粒径小于75μm，纯度99.5%），B₄C粉（平均粒径小于45μm，纯度99.0%）。将上述三种粉末按TiC：TiB₂＝1：2（摩尔比），Cu含量为10wt.%的比例配比，充分混合均匀后，将其压制成长×宽×高＝30mm×12mm×20mm的长方形仿生单元体压坯预制块，且压坯紧实率为60%。将预制块进行真空除气处理后，以间距为15mm规律放置在铸型中铸件需要增强的部位，如图1所示。熔炼锰钢浇入铸型内，钢液出炉温度为1400℃～1500℃，依靠钢液的高温，引燃放置在型内的仿生单元体压坯发生自蔓延反应，从而制备出单元体中含90wt.%TiC-TiB₂陶瓷的仿生耦合耐磨材料，如图2所示。仿生单元体区与钢基体区的界面结合、仿生单元体区的XRD成分分析、仿生单元体区的微观组织及仿生单元体区的基体成分分析分如图3、图4、图5和图6所示。在制备出的仿生耦合耐磨材料中，锰钢基体的硬度(HRC)＜20，仿生单元体区硬度(HRC)＞52。 

实施例2： 

制取单元体中含70wt.%TiC-TiB₂陶瓷的仿生耦合耐磨材料 

取Cu粉（平均粒径小于3μm，纯度99.5%），Ti粉（平均粒径小于45μm，纯度99.5%），B₄C粉（平均粒径小于30μm，纯度99.0%）。将上述三种粉末按TiC：TiB₂＝1：2（摩尔比），Cu含量为30wt.%的比例配比，充分混合均匀后，将其压制成长×宽×高＝25mm×10mm×15mm的长方形仿生单元体压坯预制块，其紧实率为65%。将预制块进行真空除气处理后，以间距为12mm规律放置在铸型中铸件需要增强的部位。熔炼锰钢浇入铸型内，钢液出炉温度为1400℃～1500℃依靠钢液的高温，引燃放置在型内的仿生单元体压坯发生自蔓延反应，从而制备出单元体中含70wt.%TiC-TiB₂陶瓷的仿生耦合耐磨材料，其中，仿生单元体区硬度(HRC)＞48。 

实施例3： 

制取单元体中含50wt.%TiC-TiB₂陶瓷的仿生耦合耐磨材料 

取Cu粉（平均粒径小于45μm，纯度99.5%），Ti粉（平均粒径小于45μm，纯度99.5%），B₄C粉（平均粒径小于30μm，纯度99.0%）。将上述三种粉末按TiC：TiB₂＝1：2（摩尔比），Cu含量为50wt.%的比例配比，充分混合均匀后，将其压制成长×宽×高＝25mm×12mm×10mm的长方形仿生单元体压坯预制块，紧实率为60%。将预制块进行真空除气处理后，以间距为12mm规律放置在铸型中铸件需要增强的部位。熔炼锰钢浇入铸型内，钢液出炉温度为1400℃～1500℃依靠钢液的高温，引燃放置在型内的仿生单元体压坯发生自蔓延反应，从而制备出单元体中含50wt.%TiC-TiB₂陶瓷的仿生耦合耐磨材料，其中，仿生单元体区硬度(HRC)＞42。 

Claims (3)

1.一种仿生耦合耐磨材料的制备方法，该方法是：将Cu-Ti-B₄C体系粉末压制成长方形单元体，按一定排布规律放置在铸件容易磨损失效部位，浇铸基体钢液，依靠浇入钢液的高温引燃Cu-Ti-B₄C体系单元体预制块发生自蔓延反应，形成的TiC-TiB₂陶瓷/[Fe,Cu]长方形仿生硬质单元体以一定的分布规律复合在柔韧的钢基体上，从而制备出一种强度、硬度与韧性兼具的仿生耦合耐磨材料。

2.根据权利要求1所述一种仿生耦合耐磨材料的制备方法，其特征在于：浇铸基体钢液后，形成的硬质仿生单元体材料是由TiC、TiB₂、Fe和Cu组成，其中，TiC陶瓷为椭球形，TiB₂陶瓷为六棱柱形，尺寸为微米级。

3.根据权利要求1所述的一种仿生耦合耐磨材料的制备方法，该方法包括仿生单元体压坯制备和反应形成仿生耦合耐磨材料两个阶段：

1）仿生单元体压坯制备：

a.仿生单元体压坯材料组成：压坏原材料为粉末状，由粒度小于3.5～100μm的Cu粉、Ti粉和B₄C粉组成，其中，Cu的重量百分比为10%～60%，其余为Ti粉和B₄C粉，反应合成的TiC和TiB₂摩尔比1：2；

b.混料：按照上述比例称取粉料，并装入球磨机中混料8±1小时，混合均匀；

c.仿生单元体压坯制备：把混合均匀的压坯原材料放入模具中，在室温下压制成长方形单元体压坯，长为20mm～100mm，宽为5mm～30mm，高为10mm～40mm，且仿生单元体压坯紧实率为理论密度的60±5%；

2）反应形成仿生耦合耐磨材料：

a.仿生单元体压坯真空除气处理：将压制好的压坯放入真空加热装置内，真空度≥10^-1Mpa，以20℃/min的加热速率加热至300℃～400℃，除气2h～3h；

b.铸型要求：钢液浇铸采用沙型；

c.基体钢液要求：为了能够引燃预仿生单元体压坯发生自蔓延高温合成反应生成TiC-TiB₂陶瓷/[Fe,Cu]硬质仿生单元体，钢液温度保证在1400℃～1500℃；

d.仿生单元体压坯在铸型内的放置：在铸件需增强的部位放置已真空出气处理的仿生单元体压坯，压坯间距0.5cm～5cm；

e.浇铸基体钢液引燃单元体压坯反应合成仿生耦合耐磨材料。

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