CN108286010A - 一种原位形成TiC增强高铬铸铁耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种原位形成TiC增强高铬铸铁耐磨材料及其制备方法，具体地，以Ti3AlC2和高铬铸铁粉为原料，其中Ti3AlC2的含量为5～30wt.％；将上述玛瑙球和配料按照重量比2:1放入球磨罐中混料5～10小时；将上述混好的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，在氩气气氛下，以5～30℃/分钟的升温速率将炉温升至1200～1500℃，保温0～30分钟后，继而降温至1000～1300℃，同时对模具中的粉料施加0～30MPa压力并保温30～90分钟，最后随炉温冷却至室温，得到TiC增强高铬铸铁复合材料。本发明制备的材料中TiC颗粒细小，在基体中分布均匀，细化了高铬铸铁结构，而且TiC与基体形成较强的陶瓷/金属结合界面，提高复合材料的综合性能。该方法具有所用设备简单，合成材料时间短，适用于规模化生产。

Description

一种原位形成TiC增强高铬铸铁耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨材料的制备方法，具体涉及一种原位形成TiC陶瓷颗粒增强高铬铸铁复合材料的制备方法。
背景技术
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，被广泛应用于破碎、研磨、挤压、物料输送等机械和冶金设备，如磨辊、衬板、磨球、轧辊等。高铬铸铁的耐磨性主要来自于基体中碳化物M7C3(M＝Fe，Cr)的贡献。但M7C3碳化物极易形成粗大晶粒导致高铬铸铁低强度和低韧性，在使用过程中容易产生断裂等问题。为细化M7C3组织结构，提高高铬铸铁的耐磨性，延长部件使用寿命，许多措施如快速降温来抑制碳化物的生长(文献1,J.Mater.Sci.1983；18:483)、添加合金和稀土元素来细化碳化物M7C3(文献2,Mater.Sci.Technol.1989；5:918；文献3,Mater.Sci.Eng.A 2005；398:297；文献4,Mater.Lett.2008；62:3024)等被采用，但细化M7C3的效果不明显。中国专利(公开号CN107058856A)提出了一种制备高铬铸铁的制备方法，包括炉前处理、浇注、热处理的制备步骤，对提高高铬铸铁的耐磨性有一定效果，但没有解决碳化物粗大的问题。另外，在高铬铸铁中添加Al2O3，TiC，Si3N4，ZrO2等陶瓷颗粒，也是不错的方法，能在一定程度上细化微观组织，提高材料的耐磨性，但是添加的陶瓷颗粒在基体中分布不均匀以及陶瓷/金属界面不润湿难以形成较强的结合界面，又成为新的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有高铬铸铁材料及其制备方法存在的缺点，提供一种原位形成TiC颗粒增强高铬铸铁耐磨材料及其制备方法。本发明以高铬铸铁粉和Ti3AlC2为前驱体粉，通过粉末冶金技术，获得综合性能优良的高铬铸铁复合材料。原位形成的TiC颗粒主要来源于Ti3AlC2三元碳化物的分解。原位形成的TiC颗粒细小，在高铬铸铁中分布均匀；原位形成的TiC属于缺C型化合物，与含铁基体有良好的润湿性，从而形成较强的陶瓷/金属结合界面，大幅度提高复合材料的力学性能和耐磨性。
本发明的技术方案为：
(1)以Ti3AlC2和高铬铸铁粉为原料，其中Ti3AlC2的含量为5～30wt.％；
(2)将上述玛瑙球和配料按照重量比2:1放入球磨罐，在球磨机上混料5～10小时；
(3)将上述混好的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，在氩气保护气氛下，以5～30℃/分钟的升温速率将炉温升至1200～1500℃，保温0～30分钟后，继而降温至1000～1300℃，同时对模具中的粉料施加0～30MPa压力并保温30～90分钟，最后随炉温冷却至室温，得到性能优良的TiC增强高铬铸铁复合材料。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
(1)本发明采用Ti3AlC2作为前驱体粉体，在高温下原位分解形成缺碳型TiCx(x的理论值为0.67)。缺碳型TiC与Fe润湿性好，能形成良好的陶瓷/金属结合界面。
(2)由Ti3AlC2原位分解形成的TiC，在基体中分布均匀，解决了直接添加陶瓷颗粒所引起的颗粒分布不均匀问题。
(3)原位形成的TiC颗粒细小，而且能有效抑制M7C3碳化物的长大，解决了M7C3粗大化问题。
(4)本发明采用的配料，可采用浇注、粉末冶金等技术，在较宽的温度范围内获得综合性能良好的高铬铸铁材料。
(5)本发明所采用的配料中的前驱体粉体不局限于Ti3AlC2粉，可采用三元碳化物和氮化物(即所谓的MAX相)中的任意一种作为前驱体粉体。
附图说明
图1是本发明制备的TiC增强高铬铸铁复合材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步说明。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施方式一:
1)将Ti3AlC2和高铬铸铁粉按1:4的质量比配料，称取Ti3AlC2粉20克，高铬铸铁粉80克；
2)将上述配料和玛瑙球按球料比2:1放入球磨罐中，混料5小时；
3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，氩气保护气氛下，以15℃/分钟的升温速率将炉温升至1500℃，然后降温至1200℃，保温60分钟，最后随炉温冷却至室温，得到高铬铸铁复合材料。
结合图1的扫描电镜照片可观察到，形成的TiC颗粒尺寸为1～2微米，颗粒呈球状，在基体中分散均匀。TiC颗粒之间为基体相和M7C3相，M7C3得到明显细化。
实施方式二:
1)将Ti3AlC2和高铬铸铁粉按1:19的质量比配料，称取Ti3AlC2粉5克，高铬铸铁粉95克；
2)将上述配料和玛瑙球按球料比2:1放入球磨罐中，混料10小时；
3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，氩气保护气氛下，以30℃/分钟的升温速率将炉温升至1450℃，保温5分钟，然后降温至1200℃，保温60分钟，最后随炉温冷却至室温，得到高铬铸铁复合材料。
获得材料的显微结构如图1所示，形成的TiC颗粒尺寸为1～2微米，颗粒呈球状，在基体中分散均匀，M7C3得到明显细化。
实施方式三:
1)将Ti3AlC2和高铬铸铁粉按1:3的质量比配料，称取Ti3AlC2粉25克，高铬铸铁粉75克；
2)将上述配料和玛瑙球按球料比2:1放入球磨罐中，混料8小时；
3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，氩气保护气氛下，以20℃/分钟的升温速率将炉温升至1400℃，保温10分钟，然后降温至1200℃，保温60分钟，最后随炉温冷却至室温，得到高铬铸铁复合材料。
获得材料的显微结构如图1所示，形成的TiC颗粒尺寸为1～2微米，颗粒呈球状，在基体中分散均匀，M7C3得到明显细化。
实施方式四:
1)将Ti3AlC2和高铬铸铁粉按3:17的质量比配料，称取Ti3AlC2粉15克，高铬铸铁粉85克；
2)将上述配料和玛瑙球按球料比2:1放入球磨罐中，混料10小时；
3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，氩气保护气氛下，以25℃/分钟的升温速率将炉温升至1450℃，保温10分钟，然后降温至1200℃，同时对模具中的配料施加25MPa的压力，保温30分钟，最后随炉温冷却至室温，得到高铬铸铁复合材料。
获得材料的显微结构如图1所示，形成的TiC颗粒尺寸为1～2微米，颗粒呈球状，在基体中分散均匀，M7C3得到明显细化。
实施方式五:
1)将Ti3AlC2和高铬铸铁粉按1:4的质量比配料，称取Ti3AlC2粉20克，高铬铸铁粉80克；
2)将上述配料和玛瑙球按球料比2:1放入球磨罐中，混料10小时；
3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，氩气保护气氛下，以30℃/分钟的升温速率将炉温升至1500℃，然后降温至1100℃，同时对模具中的配料施加30MPa的压力，保温60分钟，最后随炉温冷却至室温，得到高铬铸铁复合材料。
获得材料的显微结构如图1所示，形成的TiC颗粒尺寸为1～2微米，颗粒呈球状，在基体中分散均匀，M7C3得到明显细化。
实施方式六:
1)将Ti3AlC2和高铬铸铁粉按1:3的质量比配料，称取Ti3AlC2粉25克，高铬铸铁粉75克；
2)将上述配料和玛瑙球按球料比2:1放入球磨罐中，混料8小时；
3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，氩气保护气氛下，以15℃/分钟的升温速率将炉温升至1500℃，然后降温至1150℃，同时对模具中的配料施加20MPa的压力，保温60分钟，最后随炉温冷却至室温，得到高铬铸铁复合材料。
获得材料的显微结构如图1所示，形成的TiC颗粒尺寸为1～2微米，颗粒呈球状，在基体中分散均匀，M7C3得到明显细化。
上述实施例是为清楚说明本发明所作的举例，而非对本发明实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种原位形成TiC增强高铬铸铁耐磨材料及其制备方法，其特征在于：
(1)以Ti3AlC2和高铬铸铁粉为原料，其中Ti3AlC2的含量为5～30wt.％；
(2)将上述玛瑙球和配料按照重量比2:1放入球磨罐，在球磨机上混料5～10小时；
(3)将上述混好的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于高温炉中，在氩气保护气氛下，以5～30℃/分钟的升温速率将炉温升至1200～1500℃，保温0～30分钟后，继而降温至1000～1300℃，同时对模具中的粉料施加0～30MPa压力并保温30～90分钟，最后随炉温冷却至室温，得到性能优良的TiC增强高铬铸铁复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，配料中采用的Ti3AlC2作为前驱体粉体，前驱体粉体属于三元碳化物和氮化物(即所谓的MAX相)中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所采用的配料可采用浇注、粉末冶金等方法制备原位形成陶瓷颗粒增强高铬铸铁复合材料。
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