CN106984808B - 一种局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种用于制造矿山、建筑机械耐磨易损件的局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法。该方法包括以下步骤：1）以碳化钨粉末、碳化钛粉末为增强颗粒，以还原铁粉、高速钢粉末为金属粘结剂，按一定比例配制硬质合金粉；2）把配制好的硬质合金粉末放入球磨机中，并加入过程控制剂进行球磨混料；3）向球磨混合均匀的硬质合金粉末中加入成形剂，然后经混合、预压、粉碎、过筛造粒等步骤。本方法制备复合材料的复合层中，不连续的增强区域均匀分布于连续的基体区域内，复合材料在服役的过程中裂纹不易萌生、扩展，很好地实现了复合材料的强韧匹配性；可显著提高复合材料的耐磨性和使用寿命。

Description

一种局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种用于制造矿山、建筑机械耐磨易损件的局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法。

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，例如运输矿料的托板、破碎矿料的锤头，研磨矿料的磨辊、磨盘、衬板等，既承受着严酷的磨损又承受着一定的冲击载荷。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，这种整层复合结构的表层复合材料在实际使用中存在性能不稳定、服役安全性不高的问题。例如：复合层中陶瓷颗粒的含量较高时，一方面显著提高了其硬度和耐磨性，另一方面其脆性也大大增加，复合层在使用过程中有可能提前开裂、剥落；此外，由于复合层与基体在物理性能(热膨胀系数，弹性模量等)上的不匹配，在复合材料的制备过程中复合层和基体界面将会产生较大的残余应力，这进一步加剧了复合层沿结合面开裂、剥落的倾向。当复合层与基体结合良好，未发生剥落的情况下，陶瓷颗粒增强铁基表层复合材料具有极高的耐磨性，但是复合层一旦发生开裂、剥落，零部件很容易被磨损而失效。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，结构如图1所示，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。

利用镶铸法制备的局域化增强复合材料在热处理过程中易发生开裂，其主要原因是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，这种差异导致复合材料在热处理过程中产生较大的界面热应力，当应力超过界面材料强度后导致复合材料发生了开裂。因此，利用镶铸法制备的局域化增强表层复合材料只适合在铸态下使用，铁基体的性能没有得到充分挖掘、发挥。真空熔烧技术经常会导致基体材料的晶粒长大，降低基体材料的性能，主要用于制备基体熔点较高的复合材料，不适用于普通铁基耐磨材料复合材料的制备。总之，目前的局域化增强表层复合材料的制备方法还存在很大的局限性，需要不断的研发新的制备方法。

发明内容

本发明正是针对以上技术问题，提供制备工艺简单、耐磨性高、能承受较大冲击载荷的局域化增强表层复合材料的粉末冶金制备方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：

1)配制硬质合金粉

取粒度为48～150μm的增强颗粒和粒度为38～106μm的金属粘结剂粉末混合。其中增强颗粒为WC颗粒，或TiC颗粒，或WC和TiC颗粒的混合物，增强颗粒的含量占硬质合金粉末混合物质量的50％～90％；金属粘结剂为还原铁粉，或高速钢粉。

2)硬质合金粉的球磨混料

把粉末混合物放入球磨机中球磨混料。球料质量比为10:1～8:1，转速为60～80r/min；球磨混料时间为10～20h。球磨混料时以无水乙醇作为过程控制剂，每100g混合物中无水乙醇加入量为60～70mL。

3)基体粉末造粒和硬质合金粉末造粒

向粒度为23～80μm的基体粉末中加入由酚醛树脂和无水乙醇按质量比1:1配制而成的成形剂，成形剂的加入量为基体粉末质量的3～6％。把基体粉末和成形剂混合均匀后放入预压模具中压制成块，压力为80～100MPa，然后将预压成型的块体进行粉碎、过筛造粒，造粒的粒度为0.15～0.18mm。基体粉末为耐磨中合金钢粉末或高锰钢粉末。

向球磨混合均匀的硬质合金粉末中加入由酚醛树脂和无水乙醇按质量比1:1配制而成的成形剂，成形剂的加入量为硬质合金粉末质量的3～6％。把硬质合金粉末和成形剂混合均匀后放入预压模具中压制成块，压力为80～100MPa，然后将预压成型的块体进行粉碎、过筛造粒，造粒的粒度为0.15～0.18mm。

4)两次模压成型

首先，将经过造粒后的基体粉末装入特制模具(根据磨损工况确定复合材料表层中增强区域的形状、分布和深度，据此设计成型模具)中进行第一次压制，压力为100～120MPa，保压时间为120～240s，经一次压制后，生坯表层成形有均匀排列的盲孔；一次压制生坯无需从模具中取出，直接将造粒后的硬质合金粉末填充满一次压制生坯表层的盲孔中，然后进行第二次压制，压力为300～400MPa，保压时间为120～240s，经两次压制后，获得局域化增强表层复合材料生坯。模压成型时采用硬脂酸锌作为型壁润滑剂。

5)真空热压烧结

将压制生坯置于石墨模具中，放入热压炉中进行烧结；加热前，炉体抽真空至真空度为≤6Pa；然后以5～10℃/min的速率升温至1000～1100℃，保温20～40min，同时慢慢加压至压力达到30～60MPa；接着以5～10℃/min的速率升温至1150～1200℃，保温20～40min，最后随炉冷却。

6)复合材料的热处理

基体材料为耐磨中合金钢时，复合材料的热处理工艺为淬火+低温回火，淬火为980～1200℃下保温1～2h，然后水冷至室温；低温回火为200～250℃下保温1～2h，然后炉冷至室温。基体材料为高锰钢时，复合材料的热处理工艺为1000～1100℃下保温1～2h，然后水冷至室温。

本发明利用特制模具经两次压制形成局域化增强表层复合材料生坯，然后通过热压烧结的方法制备复合材料。由于热压烧结的温度较低，一方面可以减少增强颗粒与粘结剂之间、增强区域与基体区域之间的界面反应，从而抑制粗大界面反应产物的生成；另一方面可以降低复合材料界面应力，提高复合材料的性能。而且无需担忧颗粒的溶解反应，特别适合于制备小粒径颗粒增强的复合材料。

本发明的积极效果体现在：

(一)本发明获得的复合材料的复合层中，不连续的增强区域均匀分布于连续的基体区域内，复合材料在服役的过程中裂纹不易萌生、扩展，很好的实现了复合材料的强韧匹配性；复合材料经粉末模压成型后烧结而成，制备温度较低，一方面可以避免增强颗粒与粘结剂之间、增强区域与基体区域之间产生过度界面反应，从而抑制粗大界面反应产物的生成；另一方面可以降低复合材料界面应力，抑制界面裂纹产生，有利于提高复合材料的性能；所制复合材料增强区域中颗粒分布均匀，不易出现偏析和偏聚现象；尤其在制备小粒径颗粒增强复合材料时具有明显的优势。增强颗粒在增强区域中的体积分数，以及增强区域在复合层中的体积分数均可以精确控制。

(二)该方法所制复合材料尺寸精度好，机加工少，甚至无需机加工，材料利用率高。

(三)本发明方法制备的复合材料，其工作面有基体区域和增强区域交互规则分布。在服役过程中，基体区域能够为增强区域提供良好的支撑，同时降低了复合层的脆性；高硬度的增强区域使复合材料具有良好的耐磨性，同时能够形成宏观阴影效应保护基体区域，增强区域和基体区域的互相协同作用使得复合材料具有良好的抗冲击性、耐磨性和更长的寿命。此外，复合材料可以通过热处理进一步提高其硬度和耐磨性。

附图说明

图1为本发明中所述局域化增强表层复合材料结构示意图；

图2为本发明实施例制备的复合材料表层中增强区域的形状和分布示意图；

图3为本发明实施例制备的复合材料生坯的两次模压成型过程示意图；

图4为本发明实施例制备的复合材料表层中增强区域的形状和分布示意图；

图5为本发明实施例制备的复合材料磨损表面激光共聚焦扫描显微镜形貌图。

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：局域化增强的球磨机衬板耐磨镶块的制备

基体材料选择强韧性较好的耐磨中合金钢，镶块的增强区域选择钢结硬质合金，增强颗粒为WC颗粒，金属粘结剂为还原铁粉；复合材料表层中增强区域的形状和分布如图2所示，增强区域的深度为6mm，据此设计复合材料生坯成型模具。该复合材料的制备包括以下步骤：

1)配制硬质合金粉

取粒度为106～120μm的WC颗粒和粒度为86～106μm的还原铁粉混合。其中WC颗粒的含量占混合物质量的80％。

2)硬质合金粉的球磨混料

把配好的粉末混合物放入球磨机中球磨混料。球料比为8:1，转速为80r/min；球磨混料时间为15h。球磨混料时以无水乙醇作为过程控制剂，每100g混合物中加入无水乙醇70mL。

3)基体粉末造粒和硬质合金粉末造粒

向粒度为58～80μm的耐磨中合金钢粉末中加入由酚醛树脂和无水乙醇按质量比1:1配制而成的成形剂，成形剂的加入量为基体粉末质量的5％。把耐磨中合金钢粉末和成形剂混合均匀后放入预压模具中压制成块，压力为80MPa，然后将预压成型的块体进行粉碎、过筛造粒，造粒的粒度为0.15mm。

向球磨混合均匀的硬质合金粉末中加入由酚醛树脂和无水乙醇按质量比1:1配制而成的成形剂，成形剂的加入量为基体粉末质量的5％。把硬质合金粉末和成形剂混合均匀后放入预压模具中压制成块，压力为80MPa，然后将预压成型的块体进行粉碎、过筛造粒，造粒的粒度为0.15mm。

4)两次模压成型

复合材料生坯两次模压成型过程如图3所示。首先，将经过造粒后的耐磨中合金钢粉末装入模具中进行第一次压制，压力为100MPa，保压时间为120s，经一次压制后，生坯表层成形有均匀排列的盲孔；一次压制生坯无需从模具中取出，直接将造粒后的硬质合金粉末填充满一次压制生坯表层的盲孔中，然后进行第二次压制，压力为300MPa，保压时间为120s，经两次压制后获得局域化增强表层复合材料生坯。

5)真空热压烧结

将压制生坯置于石墨模具中，放入热压烧结炉中进行烧结；加热前，炉体抽真空至真空度为6Pa；然后以5℃/min的速率升温至1050℃，保温30min，同时慢慢加压至压力达到40MPa；接着以5℃/min的速率升温至1160℃，保温40min，最后随炉冷却。

6)复合材料的热处理

热处理工艺为淬火+低温回火。淬火为980℃下保温1h，然后水冷至室温，低温回火为200℃下保温1h，然后炉冷至室温。

实施例2：局域化增强的立式辊磨机磨盘耐磨镶块的制备

基体材料选择高锰钢，镶块的增强区域选择钢结硬质合金，增强颗粒为WC和TiC颗粒，金属粘结剂为高速钢粉；复合材料表层中增强区域的形状和分布如图4所示，增强区域的深度为5mm，据此设计复合材料生坯成型模具。该复合材料的制备包括以下步骤：

1)配制硬质合金粉

取粒度为58～75μm的WC和TiC颗粒，与粒度为38～58μm的高速钢粉混合。其中WC颗粒的含量占混合物质量的70％；TiC颗粒的含量占混合物质量的15％。

2)硬质合金粉的球磨混料

把配好的粉末混合物放入球磨机中球磨混料。球料比为10:1，转速为60r/min；球磨混料时间为12h。球磨混料时以无水乙醇作为过程控制剂，每100g混合物中加入无水乙醇60mL。

3)基体粉末造粒和硬质合金粉末造粒

向粒度为23～58μm的高锰钢粉末中加入由酚醛树脂和无水乙醇按质量比1:1配制而成的成形剂，成形剂的加入量为基体粉末质量的4％。把高锰钢粉末和成形剂混合均匀后放入预压模具中压制成块，压力为100MPa，然后将预压成型的块体进行粉碎、过筛造粒，造粒的粒度为0.18mm。

向球磨混合均匀的硬质合金粉末中加入由酚醛树脂和无水乙醇按质量比1:1配制而成的成形剂，成形剂的加入量为基体粉末质量的4％。把硬质合金粉末和成形剂混合均匀后放入预压模具中压制成块，压力为100MPa，然后将预压成型的块体进行粉碎、过筛造粒，造粒的粒度为0.18mm。

4)两次模压成型

复合材料生坯两次模压成型过程如图3所示。首先，将经过造粒后的高锰钢粉末装入模具中进行第一次压制，压力为120MPa，保压时间为180s，经一次压制后，生坯表层成形有均匀排列的盲孔；一次压制生坯无需从模具中取出，直接将造粒后的硬质合金粉末填充满一次压制生坯表层的盲孔中，然后进行第二次压制，压力为400MPa，保压时间为180s，经两次压制后获得局域化增强表层复合材料生坯。

5)真空热压烧结

将压制生坯置于石墨模具中，放入热压烧结炉中进行烧结；加热前，炉体抽真空至真空度为6Pa；然后以8℃/min的速率升温至1100℃，保温30min，同时慢慢加压至压力达到60MPa；接着以8℃/min的速率升温至1200℃，保温40min，最后随炉冷却。

6)复合材料的热处理

复合材料的热处理工艺为1100℃下保温2h，然后水冷至室温。

对比例1：整层结构的球磨机衬板耐磨镶块的制备

耐磨镶块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：整层结构的立式辊磨机磨盘耐磨镶块的制备

耐磨镶块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	2.8	2.4	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(如图5所示)，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 (4)

1.一种局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）配制硬质合金粉

取粒度为48~150μm的增强颗粒和粒度为40~106μm的金属粘结剂粉末混合；其中增强颗粒为WC颗粒，或TiC颗粒，或WC和TiC颗粒的混合物，增强颗粒的含量占硬质合金粉末混合物质量的50%~90%，余量为金属粘结剂，总质量百分含量为100%，金属粘结剂为还原铁粉或高速钢粉；

2）硬质合金粉的球磨混料

把粉末混合物放入球磨机中球磨混料，球料质量比为10:1~8:1，转速为60~80r/min；球磨混料时间为10~20h；球磨混料时以无水乙醇作为过程控制剂，每100g混合物中无水乙醇加入量为60~70mL；

3）基体粉末造粒和硬质合金粉末造粒

向粒度为23~80μm的基体粉末中加入成形剂，把基体粉末和成形剂混合均匀后放入预压模具中压制成块，压力为80~100MPa，然后将预压成型的块体进行粉碎、过筛造粒，造粒的粒度为0.15~0.18mm；其中基体粉末为耐磨中合金钢粉末或高锰钢粉末；

向球磨混合均匀的硬质合金粉末中加入成形剂，把硬质合金粉末和成形剂混合均匀后放入预压模具中压制成块，压力为80~100MPa，然后将预压成型的块体进行粉碎、过筛造粒，造粒的粒度为0.15~0.18mm；

4）两次模压成型

首先，将经过造粒后的基体粉末装入模具中进行第一次压制，压力为100~120MPa，保压时间为120~240s，经一次压制后，生坯表层成形有均匀排列的盲孔；一次压制生坯无需从模具中取出，直接将造粒后的硬质合金粉末填充满一次压制生坯表层的盲孔中，然后进行第二次压制，压力为300~400MPa，保压时间为120~240s，经两次压制后，获得局域化增强表层复合材料生坯；

5）真空热压烧结

将压制生坯置于石墨模具中，放入热压炉中进行烧结；加热前，炉体抽真空至真空度为≤6Pa；然后以5~10℃/min的速率升温至1000~1100℃，保温20~40min，同时慢慢加压至压力达到30~60MPa；接着以5~10℃/min的速率升温至1150~1200℃，保温20~40min，最后随炉冷却；

6）复合材料的热处理

基体材料为耐磨中合金钢时，复合材料的热处理工艺为淬火+低温回火，淬火为980~1200℃下保温1~2h，然后水冷至室温；低温回火为200~250℃下保温1~2h，然后炉冷至室温；基体材料为高锰钢时，复合材料的热处理工艺为1000~1100℃下保温1~2h，然后水冷至室温。

2.根据权利要求1所述局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于：基体粉末中加入的成形剂是由酚醛树脂和无水乙醇按质量比1:1配制而成的，该成形剂的加入量为基体粉末质量的3~6%。

3.根据权利要求1所述局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于：硬质合金粉末中加入的成形剂是由酚醛树脂和无水乙醇按质量比1:1配制而成的，成形剂的加入量为硬质合金粉末质量的3~6%。

4.根据权利要求1所述局域化增强复合材料的粉末冶金制备方法，其特征在于：模压成型时采用硬脂酸锌作为型壁润滑剂。