CN106978561A - 一种呈柱状体搭接结构的预制体及利用该预制体制备局域化增强复合材料的方法 - Google Patents

一种呈柱状体搭接结构的预制体及利用该预制体制备局域化增强复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种呈柱状体搭接结构预制体的制备方法，以及采用该预制体制备局域化增强复合材料的方法。预制体的制备方包括以下步骤：1）取陶瓷颗粒、还原铁粉和有机粘结剂均匀混合，得到颗粒混合物。2）将颗粒混合物装入特制石墨模具中，并放入烘干箱中进行烘干；3）将石墨模具连同颗粒混合物一起放入真空炉中进行松装烧结，形成呈柱状体搭接结构的预制体。本发明方法所制预制体由两层均匀分布的柱状体交错搭接而成，结构新颖、抗压强度高、制备工艺简单。采用该预制体通过铸渗法制备局域化增强复合材料，复合材料的复合层内不连续的增强区域均匀分布于连续的增韧区域内，显著提高了复合材料的抗冲击性，延长了复合材料的使用寿命。

Description

一种呈柱状体搭接结构的预制体及利用该预制体制备局域化 增强复合材料的方法
技术领域
本发明属于耐磨复合材料制备技术领域，具体涉及一种呈柱状体搭接结构预制体的制备方法，以及采用该预制体制备局域化增强复合材料的方法。
背景技术
在矿山、建筑、冶金等行业中普遍存在设备零部件的严重磨损问题，陶瓷颗粒增强铁基表层复合材料由于既能发挥基体材料的强度、韧性优势，又能展现陶瓷颗粒的耐磨性，因此，具有应用于严酷磨损工况的良好前景。
传统的陶瓷颗粒增强铁基表层复合材料大都采用表层整层复合的结构，即陶瓷颗粒在耐磨件工作面呈整层均匀分布。当陶瓷颗粒的含量较高时，虽然复合层的硬度、耐磨性较高，但也使得复合层的脆性大、韧性低，复合层在冲击载荷下很容易沿结合面发生开裂甚至剥落，因此，需要对传统陶瓷颗粒增强铁基表层复合材料的整层复合结构进行改善。
专利ZL200910264654.4和ZL201110321241.2利用镶铸法把硬质合金棒复合在耐磨易损件的表层，制备出一种局域化增强表层复合材料。专利ZL201210319517.8通过把碳化钨颗粒和金属粘结剂的混合物填充到耐磨件表层预先加工好的盲孔中，利用真空熔烧技术，也制备出一种局域化增强表层复合材料。这种局域化增强表层复合材料，在保证其耐磨性的前提下，抗冲击性得到了明显提高，因此，服役安全性更高、使用寿命更长。
但是利用镶铸法制备局域化增强复合材料时，一方面需在泡沫塑料模型上预先加工均匀分布的盲孔，然后把硬质合金棒插入孔中实现硬质合金棒的均匀排列；另一方面需在硬质合金棒的一端钎焊铁定(或加长硬质合金棒)，铸造时插入型砂中，避免浇注过程中硬质合金棒发生移动或倾倒，最后采用消失模铸造的方法完成复合材料的制备，制备工序多、工艺复杂、成本较高；此外，由于硬质合金和铁基体之间的热膨胀系数和弹性模量存在较大的差异，复合材料在热处理过程中易发生开裂。真空熔烧技术主要适用于制备基体熔点较高的局域化增强复合材料，不适用于普通铁基复合材料的制备。总之，目前的局域化增强复合材料的制备方法和工艺还需要不断创新和完善。
发明内容
本发明正是针对以上技术问题，提供一种呈柱状体搭接结构预制体的制备方法，以及采用该预制体制备局域化增强表层复合材料的方法。该预制体制备工艺简单、成本较低，所制复合材料的复合层内不连续的增强区域均匀分布于连续的增韧区域内，在保证复合材料的耐磨性的前提下，有效提高了复合材料的抗冲击性，延长了复合材料的使用寿命。
本发明的具体技术方案如下：
一种呈柱状体搭接结构的预制体的制备方法，包括以下步骤：
1)取粒度为500～2000μm的陶瓷颗粒、粒度为40～80μm的金属粉末和粘结剂均匀混合，得到颗粒混合物。其中陶瓷颗粒为WC或TiC；金属粉末为还原铁粉，还原铁粉的质量占颗粒混合物质量的5％～10％；粘结剂由酚醛树脂和无水乙醇按质量1:1配制而成，粘结剂的加入量为颗粒混合物质量的1％～3％，余量为陶瓷颗粒，总质量百分含量为100％。
2)将颗粒混合物装入石墨模具中，然后放入烘干箱中，在60～80℃下进行烘干，烘干时间为60～240min。其中，石墨模具由上、下模板和定位销组成，下模板上加工有均匀排列的盲孔，上模板上加工有均匀排列的通孔，定位销装在下模板上，当两模板通过定位销组合后，上、下模板上的孔呈交错搭接状；上、下模板上的孔为圆形或多边形；将颗粒混合物装入模具时，先填充下模板，然后组合上模板，最后填充上模板；为了防止烧结时预制体和模具粘连，颗粒混合物与模具之间用石墨纸隔开。
3)最后将石墨模具连同烘干好的颗粒混合物一起放入真空炉中进行松装烧结。加热前，炉体抽真空至真空度为≤1Pa；烧结温度为1280～1450℃，保温时间为30～60min。烧结过程中金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具形成呈柱状体搭接结构的预制体。
一种利用该预制体采用铸渗法制备局域化增强复合材料的方法包括以下步骤：
1)根据耐磨件的形状制备铸型，然后依据耐磨件的工作面位置把预制体固定在砂箱的型腔内。根据耐磨件工作面的大小，型腔内放置的预制体为一整块或多块拼接而成。
2)在中频感应炉中熔炼基体金属材料，获得金属熔液，然后进行浇注。浇注时对铸型抽真空，真空度为≤0.06MPa；浇注温度为1400℃～1550℃。基体金属材料为高铬铸铁或高锰钢。经铸渗，预制体和基体形成冶金结合，冷却脱模得到局域化增强复合材料铸件。
3)根据基体金属材料对复合材料耐磨件进行热处理，基体为高铬铸铁时热处理工艺为：在950℃～1000℃下保温，然后放入空气中冷却进行淬火，接着在400℃～500℃下进行回火；基体为高锰钢时热处理工艺为：在1000℃～1100℃下保温，然后放入水中冷却进行水韧处理。
本发明的预制体由两层规则排列的柱状(圆柱状或多棱柱状)体交错搭接而成，柱状体之间有供(制备复合材料时)基体熔液流动、填充的流道和宏孔，柱状体内部有供基体熔液浸渗的微孔，结构新颖，该预制体能与基体形成牢固的冶金结合。预制体是把陶瓷颗粒和金属粉末放入模具中通过松装烧结而成，制备工艺简单、成本较低。采用该预制体通过铸渗法制备局域化增强复合材料，复合层内不连续的增强区域均匀分布于连续的增韧区域内，在保证复合材料的耐磨性的前提下，有效提高了复合材料的抗冲击性，延长了复合材料的使用寿命。铸渗法制备的复合材料预制体和基体结合牢固、组织致密，且制备工艺简单、成本较低。
本发明的积极效果体现在：
(一)把陶瓷颗粒和金属粘结剂装入特制石墨模具中，通过松装烧结制备出呈两层柱状体搭接结构的预制体，柱状体之间有供(制备复合材料时)基体熔液流动、填充的流道和宏孔，柱状体内部有供基体熔液浸渗的微孔，结构新颖，该预制体能与基体形成牢固的冶金结合。
(二)采用该预制体通过铸渗法制备局域化增强复合材料，复合层内不连续的增强区域均匀分布于连续的增韧区域内，在保证复合材料的耐磨性的前提下，有效提高了复合材料的抗冲击性，延长了复合材料的使用寿命。
(三)通过石墨模具制备复合材料增强预制体，方法新颖、工艺简单、成本较低。
(四)所制预制体由两层均匀分布的柱状(圆柱状或多棱柱状)体交错搭接而成，柱状体之间有供(制备复合材料时)基体熔液流动、填充的流道和宏孔，柱状体内部有供基体熔液浸渗的微孔，结构新颖，预制体内部颗粒之间结合牢固、抗压强度高、浇注时不易溃散。
(五)采用该预制体通过铸渗法制备局域化增强复合材料，复合层内不连续的增强区域均匀分布于连续的增韧区域内，在保证复合材料的耐磨性的前提下，有效提高了复合材料的抗冲击性，延长了复合材料的使用寿命。铸渗法制备的复合材料预制体和基体结合牢固、组织致密，且制备工艺简单、成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备预制体所用石墨模具示意图；
图2为本发明实施例1中制备的预制体结构示意图；
图3为本发明实施例1和实施例2中制备复合材料的示意图；
图4为本发明实施例1中制备的局域化增强复合材料结构示意图；
图5为本发明实施例2中制备预制体所用石墨模具示意图；
图6为本发明实施例2中制备的预制体结构示意图；
图7为本发明实施例2中制备的局域化增强复合材料结构示意图。
其中，1——上模板、2——定位销、3——下模板、4——预制体、5——浇注系统、6——上砂箱、7——下砂箱、8——型砂、9——局域化增强复合材料、10——抽气装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。
实施例1：WC颗粒局域化增强高铬铸铁复合材料的制备
一、预制体制备
1)取粒度为1500～2000μm的WC颗粒、粒度为60～80μm的还原铁粉和粘结剂均匀混合，得到颗粒混合物。其中，还原铁粉的质量占颗粒混合物质量的8％；粘结剂由酚醛树脂和无水乙醇按质量1:1配制而成，粘结剂的加入量为颗粒混合物质量的1％，余量为WC颗粒。
2)将颗粒混合物装入石墨模具中，然后放入烘干箱中，在80℃下进行烘干，烘干时间为60min。将颗粒混合物装入模具时，先填充下模板，然后组合上模板，最后填充上模板；为了防止烧结时预制体和模具粘连，颗粒混合物与模具之间用石墨纸隔开。其中，石墨模具由上、下模板和定位销组成，结构如图1所示，下模板上加工有均匀排列的圆形盲孔，上模板上加工有均匀排列的圆形通孔，定位销装在下模板上，当两模板通过定位销组合后，上、下模板上的圆孔呈交错搭接状。
3)将石墨模具连同烘干好的颗粒混合物一起放入真空炉中进行松装烧结。烧结时，炉体抽真空至真空度为1Pa；烧结温度为1320℃，保温时间为60min。烧结过程中金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具形成呈柱状体搭接结构的预制体，结构如图2所示。
利用预制体制备复合材料
1)参见图3，制造铸型，然后把预制体放置在砂箱的型腔内，预制体的位置处于复合材料的工作面。
2)在中频感应炉中熔炼高铬铸铁材料，然后进行浇注。浇注时对铸型抽真空至真空度为0.06MPa，浇注温度为1500℃。经铸渗，预制体和高铬铸铁形成良好冶金结合，冷却脱模得到WC颗粒局域化增强高铬铸铁复合材料，结构如图4所示。
3)对复合材料耐磨件进行热处理，热处理工艺为淬火+回火，即在980℃下保温6h，然后放入空气中进行淬火，接着在450℃下进行回火。
实施例2：TiC颗粒局域化增强高锰钢复合材料的制备
一、预制体制备
1)取粒度为1000～1500μm的TiC颗粒、粒度为40～60μm的金属粉末和粘结剂均匀混合，得到颗粒混合物。其中，还原铁粉的质量占颗粒混合物质量的10％；粘结剂由酚醛树脂和无水乙醇按质量1:1配制而成，粘结剂的加入量为颗粒混合物质量的2％。
2)将颗粒混合物装入石墨模具中，然后放入烘干箱中，在80℃下进行烘干，烘干时间为80min。将颗粒混合物装入模具时，先填充下模板，然后组合上模板，最后填充上模板；为了防止烧结时预制体和模具粘连，颗粒混合物与模具之间用石墨纸隔开。其中，石墨模具由上、下模板和定位销组成，结构如图5所示，下模板上加工有均匀排列的六边形盲孔，上模板上加工有均匀排列的六边形通孔，定位销装在下模板上，当两模板通过定位销组合后，上、下模板上的六边形孔呈交错搭接状。
3)将石墨模具连同烘干好的颗粒混合物一起放入真空炉中进行松装烧结。烧结时，炉体抽真空至真空度为1Pa；烧结温度为1350℃，保温时间为60min。烧结过程中金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具形成呈柱状体搭接结构的预制体，结构如图6所示。
利用预制体制备复合材料
1)参见图3，制造铸型，然后把预制体放置在砂箱的型腔内，预制体的位置处于复合材料的工作面。
2)在中频感应炉中熔炼高锰钢材料，然后进行浇注。浇注时对铸型抽真空至真空度为0.06MPa，浇注温度为1550℃。经铸渗，预制体和高锰钢形成良好冶金结合，冷却脱模得到TiC颗粒局域化增强高锰钢复合材料，结构如图7所示。
3)对复合材料耐磨件进行水韧热处理，热处理工艺为：在1100℃下保温3h，然后放入水中进行快速冷却。
对比例1：整层结构的WC颗粒增强高铬铸铁复合材料的制备
复合材料采用整层复合的结构，基体材料、复合层中增强颗粒和粘结剂的种类、增强颗粒的体积分数、复合层的厚度以及复合材料的制备工艺等与实施例1完全一致。
对比例2：整层结构的TiC颗粒增强高锰钢复合材料的制备
复合材料采用整层复合的结构，基体材料、复合层中增强颗粒和粘结剂的种类、增强颗粒的体积分数、复合层的厚度以及制备工艺等与实施例2完全一致。
下表1示出了实施例和比较例的冲击磨损实验结果
表1实施例和比较例的耐磨性对比
项目 实施例1 实施例2 对比例1 对比例2
相对耐磨性 2.5 2.8 1 1
表1的数据表明，局域化增强复合材料的耐磨性是同种整层结构复合材料的2～3倍。复合材料局域化增强是将同等体积分数的增强颗粒优化分布，把整层复合层分隔为许多富含增强颗粒的增强区域和不含增强颗粒的基体区域，它们交替规则排列。在复合材料的磨损过程中，一方面增强区域会逐渐凸出于基体区域，对基体区域的磨损起到了有效的保护作用；另一方面，由于基体区域的良好强韧性和复合材料界面的良好冶金结合，增强区域得到了基体区域的有效支撑作用，这种增强区域保护基体区域和基体区域支撑增强区域的协同效应成就了复合材料较高的耐磨性。
以上所述实例仅是本专利的优选实施方式，但本专利的保护范围并不局限于此。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利原理的前提下，根据本专利的技术方案及其专利构思，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种呈柱状体搭接结构的预制体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）取粒度为500~2000μm的陶瓷颗粒、粒度为40~80μm的金属粉末和粘结剂均匀混合，得到颗粒混合物；所述的陶瓷颗粒为WC、WC/W2C、表面改性WC/W2C、或TiC；金属粉末为还原铁粉，还原铁粉的质量占颗粒混合物质量的5%~10%；粘结剂的加入量为颗粒混合物质量的1%~3%，余量为陶瓷颗粒，总质量百分含量为100%；
2）将颗粒混合物装入石墨模具中，然后放入烘干箱中，在60~80℃下进行烘干，烘干时间为60~240min；
3）最后将石墨模具连同烘干好的颗粒混合物一起放入真空炉中进行松装烧结，烧结过程中金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，冷却后打开模具形成呈柱状体搭接结构的预制体。
2.根据权利要求1所述呈柱状体搭接结构的预制体的制备方法，其特征在于：在真空炉中松装烧结时，加热前，炉体抽真空至真空度为≤1Pa；烧结温度为1280~1450℃，保温时间为30~60min。
3.根据权利要求1所述呈柱状体搭接结构的预制体的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂由酚醛树脂和无水乙醇按质量1:1配制而成。
4.根据权利要求1所述呈柱状体搭接结构的预制体的制备方法，其特征在于：所述的石墨模具由上模板、下模板和定位销组成，下模板上加工有均匀排列的盲孔，上模板上加工有均匀排列的通孔，定位销装在下模板上，当两模板通过定位销组合后，上、下模板上的孔呈交错搭接状；上、下模板上的孔为圆形或多边形；将颗粒混合物装入模具时，先填充下模板，然后组合上模板，最后填充上模板；为了防止烧结时预制体和模具粘连，颗粒混合物与模具之间用石墨纸隔开。
5.一种利用权利要求1至权利要求4中任意一项权利要求所述预制体并采用铸渗法制备局域化增强复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）根据耐磨件的形状制备铸型，然后依据耐磨件的工作面位置把预制体固定在砂箱的型腔内，根据耐磨件工作面的大小，型腔内放置的预制体为一整块或多块拼接而成；
2）在中频感应炉中熔炼基体金属材料，获得金属熔液，然后进行浇注；浇注时对铸型抽真空，真空度为≤0.06MPa；浇注温度为1400℃~1550℃，经铸渗，预制体和基体形成冶金结合，冷却脱模得到局域化增强复合材料铸件；
3）根据基体金属材料对复合材料耐磨件进行热处理。
6.根据权利要求5所述制备局域化增强复合材料的方法，其特征在于：所述的基体金属材料为高铬铸铁或高锰钢。
7.根据权利要求5所述制备局域化增强复合材料的方法，其特征在于：基体为高铬铸铁时热处理工艺为：在950℃~1000℃下保温，然后放入空气中冷却进行淬火，接着在400℃~500℃下进行回火；基体为高锰钢时热处理工艺为：在1000℃~1100℃下保温，然后放入水中冷却进行水韧处理。
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