CN103949648B - 一种高强、高韧的仿生功能表面耐磨复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强、高韧的仿生功能表面耐磨复合材料的制备方法，以碳钢为基体材料，在光滑碳钢基体表面加工出不同间距和深径比的圆形凹坑或不同间距和深宽比的条纹形凹坑，将Al-Ti-C体系硬质单元体原始粉末置于凹坑内并压实，通过烧结技术，制备原位内生TiC-Al基金属复合结构硬质单元体，从而制造出一种具有良好强度、硬度和韧性的仿生耐磨复合材料。本发明所制备出的仿生耐磨复合材料不但具有良好的耐磨性而且生产成本低，加工制造方便，适用范围广。为实现工程中零部件抗磨、耐磨问题的解决提供了一种有效的方法。

Description

一种高强、高韧的仿生功能表面耐磨复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种在摩擦或磨粒磨损工况下使用的仿生耐磨复合材料的加工制备方法。

技术背景

机械零部件的磨损问题广泛存在于机械加工的各个领域。因磨损而造成的机械零部件的损坏不但影响产品的加工质量降低生产效率，而且频繁地更换磨损件容易造成较大的经济损失和资源浪费。因此，提高机械零部件的抗磨、耐磨性是工程领域内急需解决的问题。为解决该问题，国内外的研究人员不但在采用比较传统的方式提高材料的耐磨性上努力，而且更致力于开发新材料。但是以上措施都存在着较多的不足之处。比如：①通过改变材料的组成成分以实现增强耐磨、抗磨性能的方法有其应用范围的限制，不同的材料需要不同的材料配比，实现应用推广较为不易；②有些提高材料抗磨、耐磨性能的方法会影响其他方面的性能，无法满足实际生产中对材料兼具多种性能的要求；③对于新材料的开发与研究，普遍存在着生产成本高、加工工艺比较复杂而且普遍存在着适用范围较小等问题。因此，对提高机械零部件所用材料抗磨、耐磨性能的研究亟待探索。

生物界中诸多具有的良好抗磨、耐磨性结构的生物为我们提供了设计思路。自然界中许多生物诸如蜣螂、贝壳等具有十分优良的摩擦学性能，在长期的自然进化的过程中它们在具有磨损的环境中生存，逐渐进化出了良好的抗磨损能力。这些具有优良摩擦学性能的生物体体表普遍存在着几何非光滑形态特征，即具有一定几何形状(凹坑形、和条纹形等)的结构单元以随机或有规律地分布在其体表容易发生磨损的地方。这些几何非光滑单元体不但具有很好的刚性、韧性，而且这些独特的结构通过多种方式与机体发生稳固连接，从而形成了这些生物所具有的优良摩擦学性能，保证它们不受砂砾等硬物的损伤。

生物体体表的几何非光滑形态具有的优良的摩擦学性能，这为提高工程中所用材料的抗磨、耐磨性提供了重要的仿生设计思路。因此，本发明采用仿生学理念，寻找一种有效的仿生耐磨复合材料的设计制备方法，制备出一种既简单实用、应用范围广又具有优良抗磨、耐磨性的材料。从而为制备出具有优良的抗磨性能、能够适应较多的磨损工况、加工制造中能量消耗较低的仿生耐磨复合材料新技术奠定良好的基础。

发明内容

本发明将生物体体表的几何非光滑形态所具有的优良摩擦学性能应用到工程材料抗磨、耐磨的设计制造中。以寻求获得一种简单实用、适用范围广的抗磨、耐磨材料设计制备工艺，从而为工程领域内机械零部件抗磨、耐磨性问题的解决提供一种有效的方法。

本发明的目的是提供一种高强、高韧的仿生功能表面耐磨复合材料的制备方法。

本发明的技术方案是基于生物体体表的几何非光滑形态具有优良耐磨性的原理，以碳钢为基体材料，通过机械加工技术，在光滑碳钢基体的表面上加工出不同间距和深径比的圆形凹坑或不同间距和深宽比的条纹形凹坑，将Al-Ti-C体系硬质单元体原始粉末置于凹坑内并压实，通过烧结技术，制备原位内生TiC-Al基金属复合结构单元体，从而制造出一种具有良好强度、硬度和韧性的仿生耐磨复合材料。具体工艺过程包括硬质单元体材料的制备和反应生成仿生耐磨复合材料两个阶段：

1)、硬质单元体材料的制备：

a.硬质单元体原始粉末的组成：材料呈现粉末状，是由粒度小于90μm的Al粉、Ti粉以及C粉组成，其中，Al的重量百分比为10％～60％，Ti粉和C粉加在一起的重量百分比为90％～40％，其中Ti和C摩尔比是1：1；

b.混料：按照a中所述的配料比称取粉末，放入球磨机中进行混合，混合时间为7±1小时；

c.碳钢基体上圆形凹坑或条纹形凹坑的加工：利用数控铣床在光滑碳钢基体表面加工深为5～10mm，直径为5～10mm，中心距为15～25mm的圆形凹坑，或是深为8～10mm，宽度为5～10mm，间距为6～10mm的条纹形凹坑；

d.硬质单元体原始粉末的装填与压实：将硬质单元体原始粉末装入已加工好的凹坑内，并将其压实；紧实率是其理论密度的55±5％；

2)、反应生成仿生耐磨复合材料：

e.烧结装置的真空除气处理：将装有硬质单元体材料的碳钢基体放入真空加热装置内，调节真空度最小值为10^-1Mpa，并以25℃/min的加热速率将硬质单元体材料加热至300℃～400℃，维持2～3个小时，实现抽真空处理；完成抽真空后通入氩气并保持加热装置内的压力为一个大气压；

f.硬质单元体生成：通过安装在烧结设备侧壁上的电阻丝以25℃/mim的加热速率，将完成抽真空处理的硬质单元体材料加热到1000℃，加热装置内的高温可以引发硬质单元体材料整体发生自蔓延高温合成反应，硬质单元体材料最终变成了含有TiC陶瓷的硬质单元体，并与碳钢基体之间存在着牢固的连接，至此制备出了仿生耐磨复合材料；

所述硬质单元体的成分是Al、TiC和Fe，其中，TiC是呈椭球形的陶瓷，尺寸是微米级。

所选用的碳钢基体成分中C与Mn的重量百分比含量为C是0.35％、Mn是0.18％。

本发明与目前已有的技术相比的有益效果：

1、本发明是基于生物体体表的几何非光滑形态具有优良抗磨、耐磨的原理。将机械加工技术与碳钢基体凹坑内原位内生TiC-Al基金属复合结构单元体烧结技术相结合。通过高温引发硬质单元体材料发生自蔓延反应，将硬质单元体和碳钢基体烧结成一个整体。反应生成的硬质单元体与碳钢基体存在着牢固的连接，这种制造方法简化了加工步骤，没有硬质单元体的单独的烧结和将之与碳钢基体连接的加工工序，节省了生产成本，提高了加工效率。

2、从宏观和微观上观察该型仿生耐磨复合材料。从宏观角度上观察，仿生圆形或条纹形硬质单元体均匀的分布在碳钢基体上，这就形成了质地坚硬的硬质单元体和质地相对柔软的碳钢基体相结合的特点；从微观角度上观察，硬质单元体是由坚硬的TiC陶瓷和相对柔软的碳钢基体([Fe,Al])组成，同样是一种“坚硬”与“柔韧”相结合的特征，这个刚柔相济的特点让该型仿生耐磨复合材料在实际的磨损过程中具有对摩擦应力的双重吸收和释放的力学特点。这有利于进一步提高其抗磨、耐磨能力。根据实际生产中不同的磨损工况要求，可以通过改变TiC陶瓷的含量实现该型仿生耐磨复合材料抗磨损性能的调节。本发明所制备出的仿生耐磨复合材料具有很好的抗磨、耐磨性能，见表1。

3、本发明所涉及的制备技术既可以应用在小型耐磨件的制造上也可以应用在大型抗磨、耐磨件的加工制造上。

表1：仿生耐磨复合材料的耐磨性

注：耐磨性测试在载荷为30N，500目碳化硅磨粒磨损工况下进行。

附图说明

图1是圆形凹坑在碳钢基体上的分布示意图。

图2是圆形凹坑的仿生复合材料示意图。

图3是条纹形凹坑在碳钢基体上的分布示意图。

图4是条纹形凹坑仿生复合材料示意图。

图5是仿生耐磨复合材料断口形貌照片。

图6是硬质单元体与碳钢基体结合的照片。

图7是50wt.％Al-Ti-C体系在碳钢表面烧结制备仿生耐磨表面微区XRD分析图。

具体实施方式

实施例1：

制取硬质单元体中含90wt.％TiC陶瓷的仿生耐磨复合材料

从硬质单元体原始粉末中，取Al粉(平均粒径小于70μm，纯度99.0％)，Ti粉(平均粒径小于70μm，纯度99.0％)和C粉(平均粒径小于40μm，纯度99.0％)。将上述三种粉末按Al含量为10wt.％，Ti粉和C粉加在一起的含量为90wt.％，，Ti粉与C粉按摩尔比1：1的比例混合均匀。在碳钢基体5上加工出深度为5mm，直径为5mm，中心距为15mm的圆形凹坑1，如图1所示。将硬质单元体原始粉末充分混合均匀后，置于均匀分布的圆形凹坑1内并按其理论密度60％的紧实率压实。将装好硬质单元体材料的碳钢基体放入真空加热装置内，完成抽真空处理后通入氩气，并且保持加热装置内的压力为一个大气压。以25℃/mim的加热速率将硬质单元体材料加热到1000℃，引发整体的SHS反应，从而制备出含90wt.％TiC陶瓷的仿生耐磨复合材料，如图2所示。仿生耐磨复合材料断口形貌如图5所示、硬质单元体2与碳钢基体5的结合如图6所示。50wt.％Al-Ti-C体系在碳钢表面烧结制备仿生耐磨表面微区XRD分析如图7所示。制备出的仿生耐磨复合材料，碳钢基体5的硬度(HRC)＜28，硬质单元体2的硬度(HRC)＞55。所选用的碳钢基体5成分中C与Mn的重量百分比含量为C是0.35％、Mn是0.18％。

实施例2：

制取硬质单元体中含70wt.％TiC陶瓷的仿生耐磨复合材料

从硬质单元体原始粉末中，取Al粉(平均粒径小于65μm，纯度99.0％)，Ti粉(平均粒径小于65μm，纯度99.0％)，C粉(平均粒径小于35μm，纯度99.0％)。将上述三种粉末按Al含量为30wt.％，Ti粉和C粉加在一起的含量为70wt.％，Ti粉与C粉按摩尔比1：1的比例混合均匀。在碳钢基体5上加工出深度为5mm，宽为5mm，间距为10mm的条纹形凹坑3，如图3所示。将硬质单元体原始粉末充分混合均匀后，置于均匀分布的条纹形凹坑3内并按其理论密度60％的紧实率压实。将装好硬质单元体材料的碳钢基体5放入真空加热装置内，完成抽真空处理后通入氩气，并且保持加热装置内的压力为一个大气压。以25℃/mim的加热速率将硬质单元体材料加热到1000℃，引发整体的SHS反应，从而制备出含70wt.％TiC陶瓷的仿生耐磨复合材料，如图4所示。硬质单元体4的硬度(HRC)＞46。所选用的碳钢基体5成分中C与Mn的重量百分比含量为C是0.35％、Mn是0.18％。

实施例3：

制取硬质单元体中含50wt.％TiC陶瓷的仿生耐磨复合材料

从硬质单元体原始粉末中，取Al粉(平均粒径小于60μm，纯度99.0％)，Ti粉(平均粒径小于60μm，纯度99.0％)，C粉(平均粒径小于35μm，纯度99.0％)。将上述三种粉末按Al含量为50wt.％，Ti粉和C粉加在一起的含量为50wt.％，其中Ti粉与C粉按摩尔比1：1的比例混合均匀。在碳钢基体5上加工出深度为5mm，直径为7mm，中心距为17mm的圆形凹坑1。将硬质单元体原始粉末充分混合均匀后，置于均匀分布的圆形凹坑内并按其理论密度60％的紧实率压实。将装好硬质单元体材料的碳钢基体5放入真空加热装置内，完成抽真空处理后通入氩气，并且保持加热装置内的压力为一个大气压。以25℃/mim的加热速率将硬质单元体材料加热到1000℃，引发整体的SHS反应，从而制备出含50wt.％TiC陶瓷的仿生耐磨复合材料。其中，硬质单元体2的硬度(HRC)＞45。所选用的碳钢基体5成分中C与Mn的重量百分比含量为C是0.35％、Mn是0.18％。

Claims (3)

1.一种高强、高韧的仿生功能表面耐磨复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)、硬质单元体材料的制备：

a.硬质单元体原始粉末的组成：材料呈现粉末状，是由粒度小于90μm的Al粉、Ti粉以及C粉组成，其中，Al的重量百分比为10％～60％，Ti粉和C粉加在一起的重量百分比为90％～40％，其中Ti和C粉摩尔比是1：1；

b.混料：按照a中硬质单元体原始粉末的组成称取粉末，放入球磨机中进行混合，混合时间为7±1小时；

c.碳钢基体上圆形凹坑或条纹形凹坑的加工：利用数控铣床在光滑碳钢基体表面加工深为5～10mm，直径为5～10mm，中心距为15～25mm的圆形凹坑，或是深为8～10mm，宽度为5～10mm，间距为6～10mm的条纹形凹坑；

d.硬质单元体原始粉末的装填与压实：将硬质单元体原始粉末装入已加工好的凹坑内，并将其压实；紧实率是其理论密度的55±5％；

2)、反应生成仿生耐磨复合材料：

e.烧结装置的真空除气处理：将装有硬质单元体材料的碳钢基体放入真空加热装置内，调节真空度最小值为10^-1MPa，并以25℃/min的加热速率将硬质单元体材料加热至300℃～400℃，维持2～3个小时，实现抽真空处理；完成抽真空后通入氩气并保持加热装置内的压力为一个大气压；

f.硬质单元体生成：通过安装在烧结设备侧壁上的电阻丝以25℃/mim的加热速率，将完成抽真空处理的硬质单元体材料加热到1000℃，加热装置内的高温引发硬质单元体材料整体发生自蔓延高温合成反应，硬质单元体材料最终变成了含有TiC陶瓷的硬质单元体，并与碳钢基体之间存在着牢固的连接，至此制备出了仿生耐磨复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种高强、高韧的仿生功能表面耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述硬质单元体的成分是Al、TiC和Fe，其中，TiC是呈椭球形的陶瓷，尺寸是微米级。

3.根据权利要求1所述的一种高强、高韧的仿生功能表面耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述的碳钢基体成分中C与Mn的重量百分比含量为C是0.35％、Mn是0.18％。