CN105817605A - 一种功能梯度耐磨铁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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张建军
魏晓伟
王剑
徐磊
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C33/0242—Making ferrous alloys by powder metallurgy using the impregnating technique

Abstract

本发明提出了一种功能梯度耐磨铁基复合材料及其制备方法，由母体金属与若干圆锥状增强体构成，圆锥状增强体的底部位于母体金属上表面，由表及里增强相的体积分数逐渐越小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。制备方法包括：设计并制备石墨模具；将陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得到混合物，将上述混合物填充于石墨模具中，烘干，然后将模具和混合颗粒一起放入真空烧结炉内烧结。金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具，将成型后的预制体取出；将圆锥状预制体放于铸型底部；炉熔炼铁基金属，对铸型型腔造成负压气氛，然后进行浇注。该制备方法具有工艺简单、成本低廉，工艺稳定性高的优点。

Description

一种功能梯度耐磨铁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种功能梯度复合材料，特别涉及一种功能梯度耐磨铁基复合材料及其制备方法。
背景技术
水泥、煤炭、矿山、冶金等行业的机械设备由于受到砂粒、矿石等硬质物料磨损，易引起工件的失效，造成能源和原材料的大量消耗。铁基复合材料由于综合发挥了基体材料和增强相的特性，表现出优异的耐磨性能。但是，铁基复合材料的增强相与基体的结合呈非梯度过渡，在冲击载荷作用下增强相易产生掉块或整体剥落，导致使用过程中增强相不能有效发挥抗磨作用。
功能梯度材料的制备方法较多，主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法、气相沉积法、电沉积法、激光融覆法、离心铸造法等。粉末冶金法可靠性高、适合于制造形状比较简单的功能梯度材料部件，但工艺比较复杂、制备的梯度材料有一定的孔隙率。等离子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法、气相沉积法、电沉积法、激光融覆法只适合做表面梯度耐磨材料。离心铸造法能制备高致密度、大尺寸的梯度材料，但这种方法限于管状或环形零件。上述几种功能梯度的制备方法，均不适合制备适应强烈冲击磨损工况下的梯度耐磨材料。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种功能梯度耐磨材料及其制备方法，该制备方法具有工艺简单、成本低廉，工艺稳定性高的优点。
本发明的一种技术方案为：
一种功能梯度耐磨铁基复合材料，其特征在于，由母体金属与若干圆锥状增强体构成，所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面，由表及里增强相的体积分数逐渐越小，增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
本发明的另一种技术方案包括以下步骤：
步骤1，设计并制备石墨模具，其内腔形状为锥形，其圆锥角为20-60°；
步骤2，将粒度为300-1000μm的陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得到混合物；
步骤3，将上述混合物填充于石墨模具中，在100℃下烘干，然后将模具和混合颗粒一起放入真空烧结炉内，在1300-1500℃下烧结、真空度为10-1Pa，烧结时间为40-50分钟，金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具，将成型后的预制体取出；
步骤4，将圆锥状预制体放于铸型底部，保持一定的间距；
步骤5采用中频感应炉熔炼铁基金属，金属液出炉前启动真空泵，通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛，然后进行浇注。
采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：圆锥状增强相均匀分布于韧性好的铁基体中，高硬度的增强相呈梯度分布，实现了复合材料梯度过渡，在冲击载荷作用下增强相不易产生掉块或整体剥落，使用过程中增强相可以有效发挥抗磨作用。复合层厚度大，增强相与基体结合强度高，复合层不易破裂剥落。增强相在复合层中的体积分数可调。圆锥状增强相的直径、深度以及分布间距可调。该制备方法简单且产品质量稳定，可实现大规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
其中：其中：1、母体金属；2、圆锥状增强体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种功能梯度耐磨铁基复合材料，由母体金属1与若干圆锥状增强体2构成，所述圆锥状增强体2的大口径端位于所述母体金属1上表面，通过陶瓷颗粒预制体与母液金属1的熔渗而形成。
如图1所示，通过这种设计实现增强体的梯度分布。越靠近复合材料的表面增强体占的体积分数越大，越靠近复合材料中心增强体的体积分数越小。
实施例一
一种功能梯度耐磨铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，设计并制备石墨模具，其内腔形状为锥形，其圆锥角为30°，底部直径10mm；
步骤2，将粒度为100目的WC陶瓷颗粒与铁粉末使用无水乙醇机械混合均匀得到混合物，
步骤3，将上述混合物填充于石墨模具中，在100℃下烘干，然后将模具和混合颗粒一起放入真空烧结炉内，在1450℃下烧结、真空度为10-1Pa。烧结时间为45分钟，金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具，将成型后的预制体取出；
步骤4，将圆锥状预制体放于铸型底部，保持一定的间距；
步骤5采用中频感应炉熔炼45钢，金属液出炉前启动真空泵，通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛，然后进行浇注。
本发明具有以下优点：圆锥状增强相均匀分布于韧性好的铁基体中，高硬度的增强相呈梯度分布，实现了复合材料梯度过渡，在冲击载荷作用下增强相不易产生掉块或整体剥落，使用过程中增强相可以有效发挥抗磨作用。复合层厚度大，增强相与基体结合强度高，复合层不易破裂剥落。增强相在复合层中的体积分数可调。圆锥状增强相的直径、深度以及分布间距可调。该制备方法简单且产品质量稳定，可实现大规模生产。
实施例二
一种功能梯度耐磨铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，设计并制备石墨模具，其内腔形状为锥形，其圆锥角为45°，底部直径15mm；
步骤2，将粒度为100目的WC陶瓷颗粒与铁粉末使用无水乙醇机械混合均匀得到混合物，
步骤3，将上述混合物填充于石墨模具中，在100℃下烘干，然后将模具和混合颗粒一起放入真空烧结炉内，在1450℃下烧结、真空度为10-1Pa。烧结时间为45分钟，金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具，将成型后的预制体取出；
步骤4，将圆锥状预制体放于铸型底部，保持一定的间距；
步骤5采用中频感应炉熔炼40Cr钢，金属液出炉前启动真空泵，通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛，然后进行浇注。
本发明具有以下优点：圆锥状增强相均匀分布于韧性好的铁基体中，高硬度的增强相呈梯度分布，实现了复合材料梯度过渡，在冲击载荷作用下增强相不易产生掉块或整体剥落，使用过程中增强相可以有效发挥抗磨作用。复合层厚度大，增强相与基体结合强度高，复合层不易破裂剥落。增强相在复合层中的体积分数可调。圆锥状增强体的圆锥角、高度以及分布间距可调。该制备方法简单且产品质量稳定，可实现大规模生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种功能梯度耐磨铁基复合材料，其特征在于，由母体金属与若干圆锥状增强体构成，所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面，由表及里增强相的体积分数逐渐越小，增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
2.一种功能梯度耐磨铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，设计并制备石墨模具，其内腔形状为锥形，其圆锥角为20-60°；
步骤2，将粒度为300-1000μm的陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得到混合物；
步骤3，将上述混合物填充于石墨模具中，在100℃下烘干，然后将模具和混合颗粒一起放入真空烧结炉内，在1300-1500℃下烧结、真空度为10-1Pa,烧结时间为40-50分钟，金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具，将成型后的预制体取出；
步骤4，将圆锥状预制体放于铸型底部，保持一定的间距；
步骤5采用中频感应炉熔炼铁基金属，金属液出炉前启动真空泵，通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛，然后进行浇注。
3.根据权利要求1所述的功能梯度耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷颗粒为WC、TiC或VC；所述的母液金属为碳钢、合金钢、高铬铸铁、球墨铸铁或灰口铸铁。
4.根据权利要求1所述的功能梯度耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于：增强相的圆锥角为20-60°。
5.根据权利要求1所述的功能梯度耐磨铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述材料铸型为耐磨铸件。
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