CN105728709A - 一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种颗粒增强金属基复合的制备方法，属于抗耐磨材料制备技术领域。本发明所述方法通过添加金属粉末Ni、Ni?Fe、Co、Co?Fe、W?Fe中的一种来改善颗粒增强金属基复合材料的性能，将增强颗粒、基体金属粉末、金属粉末球磨混粉后压实得到预制坯，真空烧结后最终得到颗粒增强金属基复合材料；合金粉末的添加量占预制坯的质量分数分别为5%~20%。本发明所述方法制备得到的复合材料的力学性能显著改善，为钢材、冶金、矿山等耐磨领域、激冷激热工况零件或者其他研究复合材料性能的研究者提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，属于抗耐磨材料制备技术领域。
背景技术
如今耐磨材料被广泛应用于矿山、建材、冶金、电力、化工、机械和农业等部门，特别在矿山领域，每年大约有350多万吨的耐磨材料因磨损而被消耗，且这个数字正在以每年很高的增长率在增长，因此耐磨材料的消耗量是非常巨大的，不容忽视的。随着现代工业和社会的高速发展，对材料耐磨性能的要求也越来越高，单一的金属、陶瓷等工程材料，已很难满足现在工业的要求。而颗粒增强金属基复合材料兼有金属基体的良好韧性和颗粒增强体的高强度、高模量、高硬度，致使该类复合材料具有很好的耐磨损性能，且其还具有良好耐腐蚀，易于制备，成本低廉等优良特性，从而引起各国政府、工业界和高校研究员的重视，使其在耐磨行业得到了很大的发展与应用。近年来，研究人员为提高复合材料的力学性能，通过改变其各种工艺参数来改善颗粒增强金属基复合材料力学性能的工作做了大量的研究，并成功的开发了多种工艺方法。这些工艺方法用于制造颗粒增强金属复合材料时，也取得了很好的效果。如利用WC增强钢基复合材料制造衬板时，与铸态件相比，使其耐磨性能提高了4~5倍。但是由于通过传统的铸渗法制备的复合材料，就不可避免的会导致复合材料内部颗粒分布不均匀，材料内部组织复杂，这必然会影响颗粒增强复合材料的使用范围；而通过新工艺SPS+真空界面重熔法制备的复合材料，虽然可以使颗粒均匀地分布在材料内部，但其又受到了颗粒与基体间润湿性较低的原因，导致其复合材料的力学性能也比较差。
中国发明专利 CN104209496A介绍了一种用于制备颗粒增强金属基表层复合材料的真空实型铸造方法，这种方法是将增强颗粒放置于自制的真空实型铸渗装置中的石英管中，借助真空密封技术，提高金属液的充型能力，以利于金属液在增强颗粒间的渗透，从而获得更厚的复合层。这种方法的缺点是泡沫燃烧产生的气体及复合层中的粘结剂气化产生的气体都会使复合材料材料内部容易出现气孔的缺陷，无法生产结构复杂和致密性较高的零部件，并且复合层内的增强颗粒难以避免的产生分布不均匀等现象，影响复合材料的使用寿命。
中国发明专利 CN103667851A公布了一种颗粒增强金属基复合材料的SPS+真空界面重熔的新型制备方法，先将颗粒和基体粉末进行球磨混粉，然后利用SPS将混合粉末烧结成预制坯，最后将预制坯放入真空管式炉中进行重熔，这种方法制备的复合材料优点是可以使增强颗粒均匀的分布在复合材料内部。这种方法制备的缺点是由于颗粒与基体润湿性较差，而重熔温度又不高，导致增强颗粒与基体不能发生充分的冶金反应，生成的界面宽度较低，最终使复合材料的力学性能提高的很少，且此工艺性价比也很低，从而限制了它在工业上的使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，所述通过添加金属粉末Ni、Ni-Fe、Co、Co-Fe、W-Fe中的一种来改善颗粒增强金属基复合材料的性能，将增强颗粒、基体金属粉末、金属粉末一起球磨混粉后压实得到预制坯，经过真空烧结后最终得到颗粒增强金属基复合材料；合金粉末的添加量占预制坯的质量分数为5%~20%。
所述基体金属为铸铁或铸钢，增强颗粒为三氧化二铝、碳化硅、碳化钛、硬质陶瓷、碳化钨中的一种或多种按任意比例混合。
优选的，本发明所述金属粉末的粒径为10～60μm；增强颗粒粒径为150～830μm；基体金属粉末粒径为20～100μm。
优选的，本发明球磨机的转速为200r/min～360r/min，球磨时间为60～180min。
优选的，本发明混合粉末压实时，保压压力为50～100kN，保压时间为30～60min。
优选的，真空烧结过程为：升温过程，按5℃/min~10℃/min的升温速率从室温升至1000℃，再按2℃/min~3℃/min的升温速率升至高于基体金属熔点20～60℃；保温过程，保温时间为120～180min；降温过程，按2℃/min~3℃/min的降温速率降温至1000℃，然后按5℃/min~10℃/min的降温速率降温至500℃，最后随炉冷却至室温。
本发明的有益效果为：
（1）经过球磨机混粉后的增强颗粒能够很好的均匀分布在复合材料基材中，能够成为良好的抗磨复合表层，并且因为其颗粒分布相对均匀，能够很好的解决其在激冷激热工况下的使用寿命，并为研究复合材料综合性能提供参考。
（2）增强颗粒和添加合金粉末的体积分数皆可根据工件的使用要求进行配比，成分可调，适应性广。
（3）合金粉末的添加，大大地改善了增强颗粒和基体粉末的润湿性，促进了增强颗粒与基体之间的冶金反应，使复合材料的力学性能得到了成倍的提高；
（4）该方法制备的颗粒增强金属基复合材料，发挥了增强颗粒与基体共同的性能，调控方便，工艺简单、方便、可靠。
（5）通过调节添加合金粉末类型和含量，可以使复合材料具有不同的力学性能，从而使该类复合材料的应用面更广。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述的颗粒增强复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）将粒径为380～530μm的WC颗粒、粒径为40～45μm的铸铁粉、粒径为20～30μm的W+Fe粉与乙醇溶液（乙醇溶液的含量为增强颗粒质量分数的3％）装入球磨罐内，在球磨机上均匀混合60min，球磨机的转速为360 r/min，然后将混合得到的粉末放入干燥箱里进行烘干；在复合材料中增强颗粒所占体积分数为50％，剩余的为基体部分。
（2）将烘干后得到的混合粉末，放入模具中，在压力试验机中进行压实，保压压力为100kN，保压时间为30 min，然后得到预制坯。
（3）然后将预制坯放入真空管式炉中进行烧结，烧结条件为通入氩气保护，升温过程，按10℃/min的升温速率从室温升至1000℃，再按3℃/min的升温速率升至高于基体金属熔点50℃；保温过程，保温时间为180min；降温过程，按3℃/min的降温速率降温至1000℃，然后按10℃/min的降温速率降温至500℃，最后随炉冷却至室温，最终得到复合材料。
用本实施例制备得到添加W+Fe粉占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的复合材料来做冲击磨料磨损试验，采用MLD-10型动载磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道碴，用AR2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前试样必须清洗和烘干，并采用5次称重取其平均值计算磨损失重，用相同试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性；结果表明，该复合材料的磨损率分别为0.269g/h、0.160g/h、0.133g/h、0.132g/h和0.099g/h，耐磨性比未添加任何合金粉末的复合材料的耐磨性提高了1.7～2.7倍左右；用HR-150型洛氏硬度计测量其硬度；结果表明，添加W+Fe粉占预制坯质量为10%的复合材料洛氏硬度为HRC79（比硬质合金的HRC68提高了16％）；由此可见，随着添加W+Fe粉体质量分数的增加，复合材料的耐磨耐冲击性能也在逐渐增加，且材料的硬度也得到了明显的提高。
实施例2
利用粉末烧结法制备出Ni粉（粒径为10～15μm）占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的颗粒增强钢基复合材料，其中增强颗粒为碳化硅，颗粒粒径为150～200μm，在复合材料中增强颗粒所占体积分数为50％，剩余的为基体部分，基体为铸钢粉，粉末粒径为20～25μm。
本实施例所述的颗粒增强复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）将粒径为380～530μm的碳化硅颗粒、粒径为20～25μm的铸钢粉、粒径为10～15μm的Ni粉与乙醇溶液（乙醇溶液的含量为增强颗粒质量分数的3％）装入球磨罐内，在球磨机上均匀混合80min，球磨机的转速为250r/min然后将混合得到的粉末放入干燥箱里进行烘干。
（2）将烘干后得到的混合粉末，放入模具中，在压力试验机中进行压实，保压压力为90kN，保压时间为40 min，然后得到预制坯。
（3）然后将预制坯放入真空管式炉中进行烧结，烧结条件为通入氩气保护，升温过程，按5℃/min的升温速率从室温升至1000℃，再按2℃/min的升温速率升至高于基体金属熔点20℃；保温过程，保温时间为120min；降温过程，按2℃/min的降温速率降温至1000℃，然后按5℃/min的降温速率降温至500℃，最后随炉冷却至室温，最终得到碳化硅颗粒增强钢基复合材料。
用本实施例制备得到添加Ni粉占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的碳化硅颗粒增强钢基复合材料来做冲击磨料磨损试验，采用MLD-10型动载磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道碴，用AR2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前试样必须清洗和烘干，并采用5次称重取其平均值计算磨损失重，用相同试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性。结果表明，该复合材料的磨损率分别为0.296g/h、0.126g/h、0.101g/h、0.095g/h和0.094g/h，耐磨性比未添加任何合金粉末的复合材料的耐磨性提高了2～3.1倍左右；用HR-150型洛氏硬度计测量其硬度；结果表明，添加Ni粉占预制坯质量分数为10%的复合材料洛氏硬度为HRC82（比硬质合金的HRC68提高了20％）；由此可见，随着添加Ni粉质量分数的增加，复合材料的耐磨耐冲击性能也在逐渐增加且慢慢趋于趋于平缓，且材料的硬度也得到了明显的提高。
实施例3
利用粉末烧结法制备Ni-Fe粉（粒径为20～25μm）占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的颗粒增强铁基复合材料，其中增强颗粒为三氧化二铝，颗粒粒径为200～400μm，在颗粒增强金属基复合材料中增强颗粒所占体积分数为50％，剩余的为基体部分，基体为铸铁粉，粉末粒径为30～40μm。
本实施例所述的颗粒增强复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）将粒径为200～400μm的三氧化二铝颗粒、粒径为30～40μm的铸铁粉、粒径为20～25μm的Ni-Fe粉与乙醇溶液（乙醇溶液的含量为增强颗粒质量分数的3％）装入球磨罐内，在球磨机上均匀混合110min，球磨机的转速为300 r/min，然后将混合得到的粉末放入干燥箱里进行烘干。
（2）将烘干后得到的混合粉末，放入模具中，在压力试验机中进行压实，保压压力为100kN，保压时间为40 min，然后得到预制坯。
（3）然后将预制坯放入真空管式炉中进行烧结，烧结条件为通入氩气保护，升温过程，按8℃/min的升温速率从室温升至1000℃，再按2℃/min的升温速率升至高于基体金属熔点60℃；保温过程，保温时间为150min；降温过程，按2℃/min的降温速率降温至1000℃，然后按8℃/min的降温速率降温至500℃，最后随炉冷却至室温，最终得到三氧化二铝颗粒增强铁基复合材料。
用本实施例制备得到添加Ni+Fe粉占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的三氧化二铝颗粒增强复合材料来做冲击磨料磨损试验，采用MLD-10型动载磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道碴，用AR2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前试样必须清洗和烘干，并采用5次称重取其平均值计算磨损失重，用相同试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性。结果表明，该复合材料的磨损率分别为0.277g/h、0.106g/h、0.092g/h、0.088g/h和0.082g/h，耐磨性比未添加任何合金粉末的复合材料的耐磨性提高了2.6～3.6倍左右；用HR-150型洛氏硬度计测量其硬度；结果表明，添加Ni+Fe粉占预制坯质量分数为10%的复合材料洛氏硬度为HRC88（比硬质合金的HRC68提高了29％）；由此可见，随着添加Ni+Fe粉质量分数的增加，复合材料的耐磨耐冲击性能也在逐渐增加，且材料的硬度也得到了明显的提高。
实施例4
利用粉末烧结法制备Co粉（粒径为30～40μm）占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的颗粒增强铁基复合材料，其中增强颗粒为碳化钛，颗粒粒径为400～500μm，在增强颗粒增强金属基复合材料中增强颗粒所占体积分数为50％，剩余的为基体部分，基体为铸铁粉，粉末粒径为40～45μm。
本实施例所述的颗粒增强复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）将粒径为400～500μm的碳化钛颗粒、粒径为40～45μm的铸铁粉、粒径为30～40μm的Co粉与乙醇溶液（乙醇溶液的含量为增强颗粒质量分数的3％）装入球磨罐内，在球磨机上均匀混合180min，球磨机的转速为300r/min，然后将混合得到的粉末放入干燥箱里进行烘干。
（2）将烘干后得到的混合粉末，放入模具中，在压力试验机中进行压实，保压压力为50kN，保压时间为60min，然后得到预制坯。
（3）然后将预制坯放入真空管式炉中进行烧结，烧结条件为通入氩气保护，升温过程，按6℃/min的升温速率从室温升至1000℃，再按2℃/min的升温速率升至高于基体金属熔点40℃；保温过程，保温时间为120min；降温过程，按2℃/min的降温速率降温至1000℃，然后按6℃/min的降温速率降温至500℃，最后随炉冷却至室温，最终得到碳化钛颗粒增强铁基复合材料。
用本实施例制备得到添加Co粉占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的碳化钛颗粒增强铁基复合材料来做冲击磨料磨损试验，采用MLD-10型动载磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道碴，用AR2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前试样必须清洗和烘干，并采用5次称重取其平均值计算磨损失重，用相同试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性。结果表明，该复合材料的磨损率分别为0.285g/h、0.161g/h、0.134g/h、0.126g/h和0.120g/h，耐磨性比未添加任何合金粉末的复合材料的耐磨性提高了1.8～2.7倍左右；用HR-150型洛氏硬度计测量其硬度；结果表明，添加Co粉占预制坯质量分数为10%的复合材料洛氏硬度为HRC82（比硬质合金的HRC68提高了21％）；由此可见，随着添加Co粉质量分数的增加，复合材料的耐磨耐冲击性能也在逐渐增加，且材料的硬度也得到了明显的提高。
实施例5
利用粉末烧结法制备Co+Fe粉（粒径为50～60μm）占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的颗粒增强铁基复合材料，其中增强颗粒为碳化钨颗粒，颗粒粒径为500～830μm，在增强颗粒增强金属基复合材料中增强颗粒所占体积分数为50％，剩余的为基体部分，基体为铸钢粉，粉末粒径为60～80μm。
本实施例所述的颗粒增强复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）将粒径为500～830μm的碳化钨颗粒、粒径为60～80μm的铸钢粉、粒径为50～60μm的Co+Fe粉与乙醇溶液（乙醇溶液的含量为增强颗粒质量分数的3％）装入球磨罐内，在球磨机上均匀混合120min，球磨机的转速为340r/min然后将混合得到的粉末放入干燥箱里进行烘干。
（2）将烘干后得到的混合粉末，放入模具中，在压力试验机中进行压实，保压压力为100kN，保压时间为30 min，然后得到预制坯。
（3）然后将预制坯放入真空管式炉中进行烧结，烧结条件为通入氩气保护，升温过程，按10℃/min的升温速率从室温升至1000℃，再按2.5℃/min的升温速率升至高于基体金属熔点30℃；保温过程，保温时间为120min；降温过程，按2.5℃/min的降温速率降温至1000℃，然后按10℃/min的降温速率降温至500℃，最后随炉冷却至室温，最终得到碳化钨颗粒增强钢基复合材料。
用本实施例制备得到添加Co+Fe粉占预制坯质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%的碳化钨颗粒增强钢基复合材料来做冲击磨料磨损试验，采用MLD-10型动载磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道碴，用AR2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前试样必须清洗和烘干，并采用5次称重取其平均值计算磨损失重，用相同试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性；结果表明，该复合材料的磨损率分别为0.263g/h、0.108g/h、0.098g/h、0.091g/h和0.087g/h，耐磨性比未添加任何合金粉末的复合材料的耐磨性提高了2.4～3.0倍左右；用HR-150型洛氏硬度计测量其硬度；结果表明，添加Co+Fe粉占预制坯质量分数为10%的复合材料洛氏硬度为HRC87（比硬质合金的HRC68提高了28％）；由此可见，随着添加Co+Fe粉质量分数的增加，复合材料的耐磨耐冲击性能也在逐渐增加，且材料的硬度也得到了明显的提高。
Claims (5)
1.一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：通过添加金属粉末Ni、Ni-Fe、Co、Co-Fe、W-Fe中的一种来改善颗粒增强金属基复合材料的性能，将增强颗粒、基体金属粉末、金属粉末球磨混粉后压实得到预制坯，真空烧结后最终得到颗粒增强金属基复合材料；合金粉末的添加量占预制坯的质量分数分别为5%~20%；
所述基体金属为铸铁或铸钢，增强颗粒为三氧化二铝、碳化硅、碳化钛、硬质陶瓷、碳化钨中的一种或多种按任意比例混合。
2.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属粉末的粒径为10～60μm；增强颗粒粒径为150～830μm；基体金属粉末粒径为20～100μm。
3.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：球磨机的转速为200
r/min～360 r/min，球磨时间为60～180min。
4.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：混合粉末压实时，保压压力为50～100kN，保压时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：真空烧结过程为：升温过程，按5℃/min~10℃/min的升温速率从室温升至1000℃，再按2℃/min~3℃/min的升温速率升至高于基体金属熔点20～60℃；保温过程，保温时间为120～180min；降温过程，按2℃/min~3℃/min的降温速率降温至1000℃，然后按5℃/min~10℃的降温速率降温至500℃，最后随炉冷却至室温。
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