CN107267871B

CN107267871B - 一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN107267871B
Application number: CN201710335404.XA
Authority: CN
Inventors: 张斌
Original assignee: Jiangsu Auri Special Steel Co Ltd
Current assignee: Yutian Yusheng Container Co Ltd
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2019-07-02
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: CN107267871A

Abstract

本发明公开了一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，通过将各组分之间充分混合，压制成型，高温烧结，最终得到由8‑10％Al₂O₃、2‑4％TiC、1‑2％C、0.2‑0.5％MgF₂、0.04‑0.05％Cu、0.01‑0.02％Ni和Fe组成的铁基复合材料。本发明通过原位生成TiC、Al₂O₃混杂颗粒解决了钢铁材料与Al₂O₃颗粒材料的密度差较大，界面润湿性较差的问题，进一步提高了铁基复合材料的性能。本发明具有良好的力学性能和成形能力，可以广泛应用于要求高强度、高硬度的形状复杂零件上，在冶金、交通运输等领域有着广泛的应用。

Description

一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料技术领域的铁基材料，具体涉及一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料及其制备方法。

背景技术

钢铁材料时最常用的金属材料，具有优良的机械性能，还可以添加各种合金元素(如镍、铜、铬、锰、钨、钼等)来提高其性能，并且可以很方便地通过热处理来改变其组织和改善机械性能，以便适应不同工况条件的要求。近年来重点研究领域之一是向钢铁材料中添加各种耐磨颗粒，以提高其比强度、比刚度和耐磨性。

Al₂O₃具有高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性，即使在高温工况条件下，依然能保持良好的性能，Al₂O₃颗粒增强铁基复合材料比较充分地利用了钢铁材料和Al₂O₃材料的特点，综合性能优良。

但钢铁材料与Al₂O₃颗粒材料的密度差较大，界面润湿性较差，一般需要采取粉末冶金方法或其他特殊工艺措施，才能克服两者密度差大和润湿性差大的问题，影响了铁基复合材料的性能。同时采用外加颗粒的制备工艺复杂，成本较高，不利于推广应用，且本公司在研制Al₂O₃颗粒增强铁基复合材料时发现，Al₂O₃颗粒的含量在体系中所占比例过大时，生成的材料表面出现白色颗粒，表明Al₂O₃颗粒含量过高则无法与铁基良好的结合，影响材料的均一性，且Al₂O₃颗粒的铁基材料的性能需要进一步提高。

本发明成在Al₂O₃颗粒增强铁基材料中加入TiC、MgF₂颗粒来改善Al₂O₃颗粒铁基材料的性能，提高了Al₂O₃颗粒增强铁基复合材料的强度、耐磨性、韧性。该铁基复合材料刚度好、耐磨性高、价格低，可应用于飞机、车辆等行业制造摩擦材料和制动材料。

发明内容

发明目的：提供一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料，无需采用特殊制备方法，可制备强度、耐磨性、韧性良好的铁基复合材料。

技术方案：本发明制备了一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料，由以下质量百分数的组分组成：8-10％Al₂O₃、2-4％TiC、1-2％C、0.2-0.5％MgF₂、0.04-0.05％Cu、0.01-0.02％Ni，余量为Fe。

优选地，原位混杂颗粒增强铁基复合材料，所述复合材料的组分为9％Al₂O₃、3％TiC、1％C、0.4％MgF₂、0.05％Cu、0.01％Ni，余量为Fe。

原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，包含以下步骤：(1)将无水氯化铝溶液和铝微粉按照摩尔比5-9:1混合，在200℃条件下加热2-3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液；(2)将氯化铝母液分散于0.5mol/L乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将得到的白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得氢氧化铝与铝微粉的混合物；

(3)将步骤(2)中制备的氢氧化铝与铝微粉混合物与MgF₂、Ti粉、C粉、Cu粉、Ni粉、Fe粉按照一定比例进行配比，混合，压制成型，高温烧结，最终得到8-10％Al₂O₃、2-4％TiC、1-2％C、0.2-0.5％MgF₂、0.04-0.05％Cu、0.01-0.02％Ni，余量为Fe组成的铁基复合材料。

进一步地，原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中无水氯化铝与铝微粉的摩尔比为6:1。

步骤(1)中将无水氯化铝与铝微粉按照5-9:1混合反应后，可以控制氢氧化铝与铝微粉混合后的粒径，颗粒粒径大小均匀，粒径小于50nm，当无水氯化铝与铝微粉摩尔比为6:1，得到的氢氧化铝与铝微粉晶粒小于10nm。控制氢氧化铝与铝微粉的粒径可解决原位生成Al₂O₃颗粒粒径大小难以控制，最终生成的复合材料的耐磨性、韧性无法控制、材料表面不平整的缺点。

本发明所述的原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，高温烧结的过程如下：烧结温度为300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，高温烧结升温速度为20℃/min。

氢氧化铝与铝微粉在高温烧结阶段，铝微粉在温度为300-750℃作为还原剂，还原因氢氧化铝脱水氧化的Fe粉，C粉在温度为750℃-900℃阶段，还原已被氧化的Fe粉，使得Fe粉的被氧化为FeO能够稳定存在。

加入MgF₂除了可以增加复合材料的韧性，还可以使得原位生成TiC更加的均匀。

微量Cu与微量Ni有利于TiC颗粒的形成。

在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h有均温和防止升温过快的作用，防止复合材料生成过程中颗粒原位反应不充分。

除非另有说明，本说明书中的“％”均为“质量百分比”。

发明原理：

(1)本发明利用原位生成Al₂O₃颗粒、TiC颗粒方法制备颗粒增强铁基复合材料。

(2)加入铝微粉与C粉在不同温度阶段维持因氢氧化铝脱水氧化的Fe粉以FeO形式存在，与氢氧化铝脱水形成的Al₂O₃颗粒结合生成铁铝尖晶石(FeAl₂O₄)。

(3)MgF₂晶体加入复合材料，使得原位生成TiC颗粒更加均一。

有益效果：

(1)本发明制备的原位混杂颗粒增强铁基复合材料，解决了Al₂O₃颗粒与铁基材料密度差大，界面润湿性差，传统的铸造方法难以将两者结合的问题。

(2)利用无水氯化铝溶液和铝微粉混合物制备氢氧化铝与铝微粉混合物，该混合物粒径小于50nm，解决了Al₂O₃颗粒原位生成过程中粒径不可控的缺点。铝微粉可在高温烧结温度为300-750℃过程中，还原被氧化的Fe粉，加入C粉，在高温烧结温度为750℃-900℃过程中，还原被氧化的Fe粉，使得铁铝尖晶石能稳定的形成，晶粒内部分布均匀，增加了复合材料的硬度和耐磨性。

(3)加入MgF₂颗粒增加了复合材料的韧性，同时MgF₂晶体本身使得Ti粉与C粉在原位反应过程中，生成的TiC颗粒反应可控，不被界面排斥，提高了铁基复合材料耐磨性、耐高温、韧性。

具体实施方式

一、原料和仪器设备

1、原料

Ti粉(300目，购自清河县艾盾喷涂焊材有限公司)、Fe粉(100目)、C粉(约1μm，购自青岛海硕石墨有限公司)、自制的氢氧化铝与铝微粉混合物、MgF₂(600目，购自济南英出化工科技有限公司)、Cu(200-300目，购自南宫市原合金材料有限公司)、Ni粉(300目，购自成都华寅粉体科技有限公司)，本发明所用的其他原料均为市售所得。

2、仪器设备

成型设备：YH-10型混料机、100吨压力机、1650度管式保护气氛实验电炉、精密电子天平。

检测设备：HR-150A型洛氏硬度计、ML-10型磨料磨损试验机。

二、性能测试方法

1、硬度测定

参照GB/T203.1-2009方法。

2、耐磨性测试

试样尺寸：4mm×4mm×5mm，磨损面为4mm×4mm。试验所用砂纸为600目氧化铝耐水砂纸，压力为90N，用分析天平测量质量，精度为0.1mg。先将试样进行跑合磨损300r，称量其质量，然后正式磨损1500r，再称一次质量，两次质量之差为磨损失重，试样的相对耐磨性ε为基准试样的磨损量(mg)与该试样磨损量(mg)的比值，ε＝基准试样的磨损量/试样磨损量。

三、制备实施例

实施例1：

将无水氯化铝溶液和铝微粉按照摩尔比5:1混合，在200℃条件下加热2-3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液，将氯化铝母液分散于0.5mol/L乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将得到的白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得自制的氢氧化铝与铝微粉的混合物，将自制的氢氧化铝和铝微粉混合物，按一定比例加入到Fe粉中，并加Ti粉、C粉、MgF₂、Cu、Ni，充分混合后压块、高温烧结成型，高温烧结的过程如下：烧结温度为300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，烧结温度控制升温速度20℃/min，得到由8％Al₂O₃、2％TiC、1％C、0.2％MgF₂、0.04％Cu、0.01％Ni，余量为Fe组成的复合材料。

实施例2：

无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为6:1，复合材料由9％Al₂O₃、3％TiC、1％C、0.4％MgF₂、0.05％Cu、0.02％Ni，余量为Fe组成，其余同实施例1。

实施例3：

无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为6:1，复合材料由10％Al₂O₃、4％TiC、1％C、0.3％MgF₂、0.04％Cu、0.01％Ni，余量为Fe组成，其余同实施例1。

实施例4：

无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为7:1，复合材料由10％Al₂O₃、4％TiC、2％C、0.5％MgF₂、0.05％Cu、0.02％Ni，余量为Fe组成，其余同实施例1。

实施例5：

无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为8:1，复合材料由8％Al₂O₃、4％TiC、2％C、0.5％MgF₂、0.05％Cu、0.02％Ni，余量为Fe组成，其余同实施例1。

实施例6：

将无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为9:1，复合材料由10％Al₂O₃、2％TiC、1％C、0.3％MgF₂、0.04％Cu、0.01％Ni，余量为Fe组成，其余同实施例1。

实施例7：

将无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为8:1，复合材料由9％Al₂O₃、3％TiC、2％C、0.2％MgF₂、0.05％Cu、0.01％Ni，余量为Fe组成，其余同实施例1。

对比例1：

C粉，Fe粉充分混合后压块、高温烧结成型，高温烧结的过程如下：烧结温度为300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，烧结温度控制升温速度20℃/min，得到由2％C和Fe组成的复合材料。

对比例2：将无水氯化铝溶液，在200℃条件下加热2-3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液，将氯化铝母液分散于0.5mol/L乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得自制的氢氧化铝，将自制的氢氧化铝晶体，与C粉、Fe粉混合，得到由9％Al₂O₃、2％C和Fe组成的复合材料，其余同对比例1。

对比例3：

通过无水氯化铝溶液与铝微粉混合物摩尔比为7:1，在200℃条件下加热2-3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液，将氯化铝母液分散于0.5mol/L乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将得到的白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得自制的氢氧化铝与铝微粉的混合物，将自制的氢氧化铝与铝微粉混合物，与C粉、Fe粉混合，压块、高温烧结成型，高温烧结的过程如下：烧结温度为300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，烧结温度控制升温速度20℃/min，得到由10％Al₂O₃、2％C和Fe组成的复合材料。

对比例4：

无水氯化铝溶液和铝微粉混合物摩尔比为8:1，得自制的氢氧化铝与铝微粉混合物，与Ti粉、Fe粉、C粉混合，得到由9％Al₂O₃、3％TiC、2％C和Fe组成的复合材料，其余同对比例3。

对比例5：

Ti粉、Fe粉与C粉混合，得到由3％TiC、2％C和Fe组成的复合材料，其余同对比例1。

对比例6：

Ti粉、Fe粉、C粉、MgF₂、Cu、Ni混合，得到由3％TiC、2％C、0.2％MgF₂、0.05％Cu、0.01％Ni和Fe组成的复合材料，其余同对比例1。

对比例7：

将无水氯化铝溶液和铝微粉混合物摩尔比为8:1，得自制的氢氧化铝与铝微粉混合物，与Ti粉、Fe粉、C粉、MgF₂混合，得到由9％Al₂O₃、3％TiC、2％C、0.2％MgF₂和Fe组成的复合材料，其余同对比例3。

四、性能测定

由表1结果可以看出，通过无水氯化铝溶液和铝微粉混合物的制备，控制Al₂O₃颗粒粒径大小在50nm以下，得到的复合材料硬度增强效果越好，因为细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性，同时铝微粉和C粉在不同阶段提供了还原气氛，形成的铁铝尖晶石更稳定。通过加入TiC颗粒，可以改善单独Al₂O₃颗粒对铁基复合材料的性能改善较为单一的缺陷，从对比实施例6结果可以看出，单独的TiC颗粒制备的铁基复合材料耐磨性较差。引入MgF₂颗粒，不仅因MgF₂颗粒作为弥散颗粒增加了复合材料的韧性，且MgF₂颗粒具有控制TiC原位反应的速度和TiC颗粒的大小，使得复合材料更加均一，性能更加优异。通过实施例7和对比例7可以看出，微量Cu粉与Ni粉的加入，可以使得TiC原位生成中反应更加均一，材料的硬度和相对耐磨性更好。

表1 不同实施例测定结果

Claims

1.一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，包含以下步骤：

（1）将无水氯化铝溶液和铝微粉按照摩尔比5-9:1混合，在200℃条件下加热3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液；

（2）将氯化铝母液分散于0.5mol/L乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得氢氧化铝与铝微粉混合物；

（3）将步骤（2）中制备的氢氧化铝与铝微粉混合物与MgF₂、Ti粉、C粉、Cu粉、Ni粉、Fe粉按照一定比例进行配比，混合，压制成型，高温烧结，最终得到由质量百分数为8-10% Al₂O₃、2-4%TiC、1-2%C、0.2-0.5%MgF₂、0.04-0.05%Cu、0.01-0.02%Ni，余量为Fe组成的铁基复合材料。

2.根据权利要求1所述原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述无水氯化铝与铝微粉的摩尔比为6:1。

3.根据权利要求1所述原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于步骤（3）中，所述高温烧结过程为在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h。

4.根据权利要求3所述的原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于所述高温烧结为以20℃/min速率升温。

5.一种如权利要求1-4任一所述的原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法制备的铁基复合材料，其特征在于，由以下质量百分数的组分组成：8-10%Al₂O₃、2-4%TiC、1-2%C、0.2-0.5%MgF₂、0.04-0.05%Cu、0.01-0.02% Ni，余量为Fe。