CN107699808B - 一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料及其制备方法，复合材料原料组分及质量份为：铁粉50‑60份、铜粉8‑12份、镍粉2‑4份、钛粉3‑5份、二氧化硅粉3‑6份、石墨粉4‑6份、三氧化二铝粉6‑10份、氧化锆粉9‑12份；制备方法步骤包括压制成型、烧结、热处理。本发明制备的铁铜基陶瓷耐磨复合材料具有良好的力学性能以及耐磨性等。

Description

一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属陶瓷复合材料领域，具体涉及一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料及其制备方法。
背景技术
金属基复合材料是近几年迅速发展起来的一种新型工程材料，具有高的刚度、硬度、优良的高温性能、低的热膨胀系数、良好的耐磨和减磨性，加之其优良的加工性能、成型性能、明显的性价比优势而受到了越来越多的关注。陶瓷钢复合材料作为金属基材料中的一种，既具有陶瓷材料高硬度、耐酸碱腐蚀、耐磨的特点，也具有钢铁材料的塑韧性特点，被广泛应用于各种耐磨领域。这就需要把陶瓷与金属复合到一起，但现有的生产制作复杂，对工艺要求高，生产成本居高不下，抗拉强度及冲击韧性较低，很难被多数生产企业采用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料及其制备方法，所制备陶瓷钢复合材料具有强度、硬度高和耐磨性好等性能。
本发明采用的技术方案是：
一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其原料组分及质量份为：铁粉50-60份、铜粉8-12份、镍粉2-4份、钛粉3-5份、二氧化硅粉3-6份、石墨粉4-6份、三氧化二铝粉6-10份、氧化锆粉9-12份。
所述各原料组分的粒径不大于200目。
一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料的制备方法，步骤包括：
A、压制成型：将各原料组分混合均匀后，放入模具中压制成型，然后将压制成型后的坯料烘干，制得预制件；
B、烧结：将预制件放入电阻炉内在氢气气氛下进行烧结，电阻炉升温速率≤15℃/min,并分别在130-170℃、280-320℃、630-680℃和760-800℃分别保温10-40min，最后升温至950±5℃，保温1-3h；
C、热处理：将烧结后的预制件放入模具中复压，然后放入电阻炉中复烧，复烧温度为700±10℃，保温时间为0.5-1.5h。
所述步骤A中压制压力为550MPa-800MPa；
所述步骤A中烘干温度为70-90℃，烘烤时间为2-4h；
所述步骤C中复压压力为720-780MPa。
本发明铁铜基陶瓷耐磨复合材料中铁基材料耐高温、承受负荷大、价格低廉；Cu基材料摩擦系数大，导热性好，耐磨性比较好，复合材料中通过加入铁铜基材料以及合理调整铁粉和铜粉的配比以及铁粉铜粉与其他组分的配比，使得复合材料耐高温、强度高、导热性好、耐磨性好等，具有良好的综合性能；Ni和Ti在摩擦材料中，起到强化基体的作用，Ni元素有细化晶粒的作用，使材料强度提高，硬度增加，Ti可以和石墨反应生成TiC，具有高弹性模量、高硬度、高熔点的特性；层或片状的石墨可作为润滑组元或减磨剂，用于提高材料的抗擦伤性和耐磨性，但加入量过多会使摩擦系数和机械强度降低。SiO2和Al2O3具有高硬度和良好的高温稳定性。
本发明制备的铁铜基陶瓷耐磨复合材料：
1、具有高的强度、硬度的同时具有较好的韧性；
2、耐高温，组织稳定，高温蠕变性能好，急冷急热温度不均匀的状态下不会产生疲劳裂纹，显著提高制件的使用寿命；
3、具有良好的耐磨性能及加工性能，并且抗腐蚀能力强；
4、复合材料中避免或减少Mo、Ni、Ti、Cu、V、W、Re等贵金属的使用，有效降低原料成本；
5、具有较好的热传导性和较低的热膨胀系数；
6、铁铜基陶瓷耐磨复合材料的硬度差异性小，制件不同部位的硬度差在3(HRC)以下。
具体实施方式
实施例1
一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其原料组分及质量份为：铁粉55份、铜粉10份、镍粉2份、钛粉5份、二氧化硅粉3份、石墨粉5份、三氧化二铝粉8份、氧化锆粉12份；各原料组分的粒径均为200目。
一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料的制备方法，步骤包括：
A、压制成型：将上述各原料组分在300r/min的转速下均匀混料2小时，然后将混好的料放入油压机的模具中，在800MPa下压制成型，保压30秒，压制过程中,均匀缓慢地加压和释压，以便使气体能够顺利排出并保证粉末在型腔中充分压实，然后将压制成型后的坯料放入80℃烘箱内烘烤3小时，制得预制件；
B、烧结：将预制件放入SK2-4-12型管式电阻炉内进行烧结，采用氢气保护气氛进行烧结，其目的一是对粉末坯体进行还原处理，二是防止粉末坯体在高温烧结过程中发生氧化；电阻炉升温速率10℃/min,并分别在150℃、300℃、650℃和780℃分别保温30min以避免工件由于升温过快出现裂纹或变形，最后升温至950±5℃，保温2h后，随炉冷却；
C、热处理：将烧结后的预制件放入模具中在750MPa下复压，然后放入电阻炉中复烧，复烧温度为700±10℃，保温1h，以消除复压所带来的加工硬化，提高材料的综合性能。
实施例2
一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其原料组分及质量份为：铁粉60份、铜粉12份、镍粉3份、钛粉4份、二氧化硅粉4份、石墨粉4份、三氧化二铝粉6份、氧化锆粉11份；各原料组分的粒径均为200目。
一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料的制备方法，步骤包括：
A、压制成型：将上述各原料组分在300r/min的转速下均匀混料2小时，然后将混好的料放入油压机的模具中，在650MPa下压制成型，保压30秒，压制过程中,均匀缓慢地加压和释压，以便使气体能够顺利排出并保证粉末在型腔中充分压实，然后将压制成型后的坯料放入80℃烘箱内烘烤3小时，制得预制件；
B、烧结：将预制件放入SK2-4-12型管式电阻炉内进行烧结，采用氢气保护气氛进行烧结；电阻炉升温速率15℃/min,并分别在160℃、310℃、630℃和780℃分别保温30min，最后升温至950±5℃，保温2h后，随炉冷却；
C、热处理：将烧结后的预制件放入模具中在770MPa下复压，然后放入电阻炉中复烧，复烧温度为700±10℃，保温50min。
实施例3
一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其原料组分及质量份为：铁粉50份、铜粉12份、镍粉4份、钛粉3份、二氧化硅粉6份、石墨粉6份、三氧化二铝粉10份、氧化锆粉9份；各原料组分的粒径均为200目。
一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料的制备方法，步骤包括：
A、压制成型：将上述各原料组分在300r/min的转速下均匀混料2小时，然后将混好的料放入油压机的模具中，在750MPa下压制成型，保压30秒，压制过程中,均匀缓慢地加压和释压，以便使气体能够顺利排出并保证粉末在型腔中充分压实，然后将压制成型后的坯料放入80℃烘箱内烘烤3小时，制得预制件；
B、烧结：将预制件放入SK2-4-12型管式电阻炉内进行烧结，采用氢气保护气氛进行烧结；电阻炉升温速率15℃/min,并分别在140℃、290℃、650℃和800℃分别保温30min，最后升温至950±5℃，保温2h后，随炉冷却；
C、热处理：将烧结后的预制件放入模具中在780MPa下复压，然后放入电阻炉中复烧，复烧温度为700±10℃，保温1.2h。
实施例1-3制备的铁铜基陶瓷耐磨复合材料力学性能如表1所示：
表1实施实施例1-3制备的铁铜基陶瓷耐磨复合材料力学性能
实施例 σ<sub>b</sub>/Mpa σ<sub>s</sub>/Mpa α<sub>k</sub>/J HRC
1 600 180 40 55
2 596 175 36 51
3 642 198 46 61

Claims (5)

1.一种铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其原料组分及质量份为：铁粉50-60份、铜粉8-12份、镍粉2-4份、钛粉3-5份、二氧化硅粉3-6份、石墨粉4-6份、三氧化二铝粉6-10份、氧化锆粉9-12份；
所述铁铜基陶瓷耐磨复合材料的制备方法，步骤包括：
A、压制成型：将各原料组分混合均匀后，放入模具中压制成型，然后将压制成型后的坯料烘干，制得预制件；
B、烧结：将预制件放入电阻炉内在氢气气氛下进行烧结，电阻炉升温速率≤15℃/min,并分别在130-170℃、280-320℃、630-680℃和760-800℃分别保温10-40min，最后升温至950±5℃，保温1-3h；
C、热处理：将烧结后的预制件放入模具中复压，然后放入电阻炉中复烧，复烧温度为700±10℃，保温时间为0.5-1.5h。
2.如权利要求1所述的铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其特征在于：所述各原料组分的粒径不大于200目。
3.如权利要求1所述的铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其特征在于：所述步骤A中压制压力为550MPa-800Mpa。
4.如权利要求1所述的铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其特征在于：所述步骤A中烘干温度为70-90℃，烘烤时间为2-4h。
5.如权利要求1所述的铁铜基陶瓷耐磨复合材料，其特征在于：所述步骤C中复压压力为720-780MPa。
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