CN110055448A - 一种金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属复合材料技术领域，具体公开一种金属基复合材料及其制备方法，所述金属基复合材料由粒径为6‑7μm和粒径为12.5‑13.5μm的两种WC颗粒均匀分布在金属材料中得到；粒径为6‑7μm的WC颗粒和粒径为12.5‑13.5μm的WC颗粒的体积分别占金属基复合材料体积的4‑5％。本发明得到的金属基复合材料的致密性、耐磨性和抗拉性都得到较大提高。

Description

一种金属基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属复合材料技术领域，尤其涉及一种金属基复合材料及其制备方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料中通常会加入一种微米颗粒来增强金属基复合材料的强度，但随着增强颗粒的加入量增大，其塑性和韧性会降低，即微米颗粒虽然提高金属基复合材料的强度但也降低了复合材料的塑性和耐磨性，因增强颗粒的加入，其致密性也会受到一定的影响。且不同的铸造工艺也会对复合材料的性能产生不同的影响，熔体浸渗法虽然成本较低，但是需要制作预制体，铸渗层厚度不易控制，不宜制备整体复合的复杂零件；搅拌鋳造法操作简单且成本低廉，是颗粒增强铁基复合材料制备中应用最为广泛的工艺，但增强颗粒不易均匀分布金属液中，容易团聚(尤其是增强颗粒与基体密度差距较大时)，搅拌时金属熔体容易氧化或卷气，带来杂质或气孔等铸造缺陷；粉末冶金法、喷射沉积法，设备昂贵，成本高，并且成型件的尺寸和形状受限。所以开发一种低成本、操作简单，又能制备综合性能优异复合材料的工艺是十分必要的。
发明内容
针对现有金属基复合材料铸造过程中，颗粒增强相的加入量有限，使复合材料的强度提高不明显，且加入颗粒增强相的金属基复合材料制作成本高、操作复杂、增强颗粒易团聚并出现各种铸造缺陷等问题，本发明提供一种金属基复合材料及其制备方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种金属基复合材料，由粒径为6-7μm和粒径为12.5-13.5μm的两种WC颗粒均匀分布在金属材料中得到；所述粒径为6-7μm的WC颗粒和粒径为12.5-13.5μm的WC颗粒的体积分别占金属基复合材料体积的4-5％。
相对于现有技术，本发明将两种不同尺寸的WC增强颗粒应用到金属基复合材料中，两种不同尺寸的WC增强颗粒产生的混杂效应大大提高了金属基复合材料的致密度和耐磨性。因金属基复合材料的最佳颗粒含量的限制，WC增强颗粒对金属基复合材料的强度提升能力有限，而本发明将两种不同尺寸的WC颗粒同时加入到金属基体中作为混杂增强体，可以突破复合材料中最高颗粒含量的限制，大大提升复合材料的力学性能。WC颗粒在高温金属液中会发生部分熔融现象，所以增强颗粒尺寸要适度，尺寸过大会导致应力集中，尺寸过小则会在金属液中熔融严重，达不到强化效果，本发明选择WC颗粒的粒度为6-7μm和12.5-13.5μm，使金属基复合材料的强度、致密度和耐磨性都有很大程度的提升。
WC颗粒在高温状态下表层出现部分熔融现象，该过程可以增强金属材料与WC颗粒之间的作用强度，提升金属基复合材料的韧性和抗拉性，同时又可以增加金属基复合材料表面涂层的附着力，进一步增加金属基复合材料的耐磨性。
优选地，所述粒径为6.5μm的WC颗粒占金属基复合材料体积的4％；所述粒径为13μm的WC颗粒占金属基复合材料体积的4％。
优选地，由粒径为6.5μm和粒径为13μm的两种WC颗粒均匀分布在金属材料中得到。
本发明还提供所述金属基复合材料的制备方法。该制备方法，至少包括以下步骤：
a、按加入体积比分别量取两种不同粒径的WC颗粒增强相，将两种不同粒径的WC颗粒增强相与EPS珠粒和黏结剂混合均匀，在模具中成型，冷却后得到消失模模型；
b、在消失模模型表面涂抹耐火涂料，进行烘干；
c、将涂抹耐火涂料后的消失模模型放入砂箱内，填砂并震动紧实，将金属液沿砂箱的浇注系统进行浇注，得到金属基复合材料。
相对于现有技术，本发明的双尺寸颗粒增强相与消失模铸造工艺相结合，再通过控制混料和浇注的条件，得到消失模模型，消失模模型中的EPS珠粒在高温浇注过程中气化消失，金属液填充到EPS珠粒消失后的空隙中，使不同尺寸的WC颗粒可以均匀分布在金属基复合材料中，再通过控制两种尺寸的WC颗粒的加入量可使小尺度的WC颗粒可以充分填充大尺度WC颗粒与金属基之间形成细小的空隙，增加金属基复合材料的致密性和强度，最大程度的发挥颗粒增强相的作用，该制备方法工艺成本低、操作简单、得到的金属基复合材料的致密度及耐磨性能明显提高。
优选地，所述黏结剂为酚醛树脂。
优选地，所述EPS珠粒粒径为1-2mm。
优选地，所述步骤a中的WC颗粒增强相与EPS珠粒和黏结剂在混料机中进行混合，混料时间为5-10min；颗粒增强相与EPS珠粒的体积比为1:8-10，黏结剂的加入量占EPS珠粒体积的0.3-0.5％。
优选地，所述步骤a中的成型条件为：通入压力为0.04-0.05MPa、温度为110～130℃的蒸汽，保压2-3min后用水冷却。
优选地，所述耐火涂料由铝矾土、石英粉、酚醛树脂、白乳胶、钙膨润土和水组成，可使用ZTTL-2耐火涂料；所述耐火涂料的烘干过程为：涂抹耐火涂料后，在50-60℃的烘干温度下进行烘干，并重复三次，每次烘干时间为8-9h。
优选地，所述浇注过程在负压度为0.03～0.06MPa下进行，浇注温度为1410～1470℃，浇注速度为14-16mm·s-1。
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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种颗粒增强铁基复合材料，由粒径为6.5μm和粒径为13μm的两种WC颗粒均匀分布在金属材料中得到；其中粒径为6.5μm的WC颗粒的体积占金属基复合材料体积的4％；粒径为13μm的WC颗粒的体积占金属基复合材料体积的4％。
该金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将占EPS珠粒体积的0.3％的酚醛树脂倒入装有粒径为1mm的EPS珠粒的混料机中，使EPS珠粒浸润，然后倒入粒径为6.5μm和粒径为13μm的两种WC颗粒，搅拌混料10分钟，使EPS珠粒与增强颗粒均匀混合后，把物料吸入储料罐后，用料枪把物料冲入模具内，通入压力为0.04MPa、温度为120℃的蒸汽，保压3min，将混合物料蒸制成型，用水冷却，取出模型，得到消失模模型；
b、在消失模模型表面涂抹耐火涂料ZTTL-2，在55℃的烘干房内烘干，并重复涂抹三次，每次烘干时间为8h。
c、将涂抹耐火涂料后的消失模模型放入砂箱内，填砂并震动紧实，在负压度为0.03MPa下，将高铬铸铁金属液沿浇注系统进行浇注，浇注温度为1450℃，浇注速度为15mm·s-1，浇注成型得到颗粒增强铁基复合材料。
实施例2
一种颗粒增强铁基复合材料，由粒径为6μm和粒径为12.5μm的两种WC颗粒均匀分布在金属材料中得到；其中粒径为6μm的WC颗粒的体积占金属基复合材料体积的5％；粒径为12.5μm的WC颗粒的体积占金属基复合材料体积的4％。
该金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将占EPS珠粒体积的0.4％的酚醛树脂倒入装有粒径为1mm的EPS珠粒的混料机中，使EPS珠粒浸润，然后倒入粒径为6μm和粒径为12.5μm的两种WC颗粒，搅拌混料8分钟，使EPS珠粒与增强颗粒均匀混合后，把物料吸入储料罐后，用料枪把物料冲入模具内，通入压力为0.04MPa、温度为110℃的蒸汽，保压3min，将混合物料蒸制成型，用水冷却，取出模型，得到消失模模型；
b、在消失模模型表面涂抹耐火涂料ZTTL-2，在55℃的烘干房内烘干，并重复涂抹三次，每次烘干时间为9h。
c、将涂抹耐火涂料后的消失模模型放入砂箱内，填砂并震动紧实，在负压度为0.05MPa下，将高铬铸铁金属液沿浇注系统进行浇注，浇注温度为1410℃，浇注速度为14mm·s-1，浇注成型得到颗粒增强铁基复合材料。
实施例3
一种颗粒增强铁基复合材料，由粒径为7μm和粒径为13.5μm的两种WC颗粒均匀分布在金属材料中得到；其中粒径为7μm的WC颗粒的体积占金属基复合材料体积的4％；粒径为13.5μm的WC颗粒的体积占金属基复合材料体积的5％。
该金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a、将占EPS珠粒体积的0.5％的酚醛树脂倒入装有粒径为1mm的EPS珠粒的混料机中，使EPS珠粒浸润，然后倒入粒径为7μm和粒径为13.5μm的两种WC颗粒，搅拌混料5分钟，使EPS珠粒与增强颗粒均匀混合后，把物料吸入储料罐后，用料枪把物料冲入模具内，通入压力为0.04MPa、温度为130℃的蒸汽，保压3min，将混合物料蒸制成型，用水冷却，取出模型，得到消失模模型；
b、在消失模模型表面涂抹耐火涂料ZTTL-2，在55℃的烘干房内烘干，并重复涂抹三次，每次烘干时间为8h。
c、将涂抹耐火涂料后的消失模模型放入砂箱内，填砂并震动紧实，在负压度为0.06MPa下，将高铬铸铁金属液沿浇注系统进行浇注，浇注温度为1470℃，浇注速度为16mm·s-1，浇注成型得到颗粒增强铁基复合材料。
对比例1
用相同体积的6.5μm的WC颗粒代替实施例1中13μm的WC颗粒，得到金属基复合材料，其制备方法与实施例1相同。
对比例2
用相同体积的13μm的WC颗粒代替实施例1中6.5μm的WC颗粒，得到金属基复合材料，其制备方法与实施例1相同。
对比例3
用相同体积的粒径为6.5μm和13μm的两种TiC颗粒代替实施例1中的两种尺寸的WC颗粒，得到金属基复合材料，其制备方法与实施例1相同。
对实施例1-3和对比例1-3得到的颗粒增强铁基复合材料的致密度、耐磨性和抗拉性能进行检测，检测方法分别为：
致密度检测：致密度的计算采用阿基米德排水法测量，首先对浇注试样用200目砂纸打磨光滑并有少量的金属光泽，然后用蒸馏水和酒精清洗干净后用吹风机吹干试样。
第一步，在烧杯中加入一定量的清水，保证加入的水的质量可以没过将要测量的试样，并且当试样完全浸没时水不会溢出。然后利用分析天平称量烧杯与水的总质量m1；
第二步，将待测试样用细线拴住，放入烧杯中，用手提住线，保证试样完全浸没并且不会接触烧杯壁，称量此时的质量为m2；
第三步，将待测试样完全放入烧杯中，测量水、烧杯和试样三者的质量m3。
每个试样测量5次，通过计算，取平均值作为试样最终致密度。
致密度测量结果如下表所示：
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
致密度 0.97 0.968 0.968 0.95 0.952 0.960
因此本发明的双尺寸WC混合颗粒增强铁基复合材料的致密性比单一尺寸WC颗粒增强铁基复合材料及其它材料双尺寸混合颗粒增强铁基复合材料显著提高。
耐磨性检测：以一定时间内的材料磨损量作为试块耐磨性的评定标准，采用耐磨性检测中的重量法来衡量试块耐磨性的大小，试块在测量重量前都经水洗并用吹风机烘干，在MMW-1A万能摩擦磨损试验机上进行耐磨性试验，摩擦磨损试验参数为：附加载荷为200N，转速200r/min，磨损时间30min，在JJ224BC型电子分析天平上测量试样磨损试验前后的质量。
通过耐磨性试验计算分析得到：
实施例1中的颗粒增强金属基复合材料的耐磨性比对比例1中的单一6.5μm的WC颗粒增强铁基复合材料提高8.6﹪，比对比例2中的单一13um WC颗粒增强铁基复合材料提高13.2﹪，比对比例3中的双尺寸TiC颗粒增强铁基复合材料提高3.7﹪。
实施例2中的颗粒增强金属基复合材料的耐磨性比对比例1中的单一6.5μm的WC颗粒增强铁基复合材料提高7.4﹪，比对比例2中的单一13um WC颗粒增强铁基复合材料提高12.5﹪，比对比例3中的双尺寸TiC颗粒增强铁基复合材料提高4.1﹪。
实施例3中的颗粒增强金属基复合材料的耐磨性比对比例1中的单一6.5μm的WC颗粒增强铁基复合材料提高8.2﹪，比对比例2中的单一13um WC颗粒增强铁基复合材料提高13.3﹪，比对比例3中的双尺寸TiC颗粒增强铁基复合材料提高3.5﹪。
因此本发明的双尺寸WC混合颗粒增强铁基复合材料的耐磨性比单一尺寸WC颗粒增强铁基复合材料及其它材料双尺寸混合颗粒增强铁基复合材料显著提高。
抗拉性测试：
(1)准备试样；
(2)测量试样的直径：并量出试样的标距，打上明显的标记。在标距中间和两端相互垂直的方向各量一次直径，取最小处的平均值来计算截面面积；
(3)试验机准备：按试验机—计算机—打印机的顺序开机，开机后须预热后才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件；
(4)装夹试样；
(5)开始实验：按运行命令按钮，按照软件设定的方案进行实验；
(6)记录数据：试样断裂后，取下试样，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。
通过抗拉性试验计算分析得到：
实施例1中的颗粒增强金属基复合材料的抗拉性比对比例1中的单一6.5μm的WC颗粒增强铁基复合材料提高10.7﹪，比对比例2中的单一13um WC颗粒增强铁基复合材料提高15.8﹪，比对比例3中的双尺寸TiC颗粒增强铁基复合材料提高6.6﹪。
实施例2中的颗粒增强金属基复合材料的抗拉性比对比例1中的单一6.5μm的WC颗粒增强铁基复合材料提高10.1﹪，比对比例2中的单一13um WC颗粒增强铁基复合材料提高15.9﹪，比对比例3中的双尺寸TiC颗粒增强铁基复合材料提高5.8﹪。
实施例3中的颗粒增强金属基复合材料的抗拉性比对比例1中的单一6.5μm的WC颗粒增强铁基复合材料提高9.5﹪，比对比例2中的单一13um WC颗粒增强铁基复合材料提高14.4﹪，比对比例3中的双尺寸TiC颗粒增强铁基复合材料提高5.5﹪。
因此本发明的双尺寸WC混合颗粒增强铁基复合材料的抗拉性比单一尺寸WC颗粒增强铁基复合材料及其它材料双尺寸混合颗粒增强铁基复合材料显著提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属基复合材料，其特征在于：由粒径为6-7μm和粒径为12.5-13.5μm的两种WC颗粒均匀分布在金属材料中得到；所述粒径为6-7μm的WC颗粒和粒径为12.5-13.5μm的WC颗粒的体积分别占金属基复合材料体积的4-5％。
2.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于：所述粒径为6-7μm的WC颗粒占金属基复合材料体积的4％；所述粒径为12.5-13.5μm的WC颗粒占金属基复合材料体积的4％。
3.如权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于：由粒径为6.5μm和粒径为13μm的两种WC颗粒均匀分布在金属材料中得到。
4.权利要求1-3任一项所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
a、按加入体积比分别量取两种不同粒径的WC颗粒增强相，将两种不同粒径的WC颗粒增强相与EPS珠粒和黏结剂混合均匀，在模具中成型，冷却后得到消失模模型；
b、在消失模模型表面涂抹耐火涂料，进行烘干；
c、将涂抹耐火涂料后的消失模模型放入砂箱内，填砂并震动紧实，将金属液沿砂箱的浇注系统进行浇注，得到金属基复合材料。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述黏结剂为酚醛树脂。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述EPS珠粒粒径为1-2mm。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤a中的WC颗粒增强相与EPS珠粒和黏结剂在混料机中进行混合，混料时间为5-10min；颗粒增强相与EPS珠粒的体积比为1:8-10，黏结剂的加入量占EPS珠粒体积的0.3-0.5％。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤a中的成型条件为：通入压力为0.04-0.05MPa、温度为110～130℃的蒸汽，保压2-3min后用水冷却。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述耐火涂料由铝矾土、石英粉、酚醛树脂、白乳胶、钙膨润土和水组成；所述耐火涂料的烘干过程为：涂抹耐火涂料后，在50-60℃的烘干温度下进行烘干，并重复三次，每次烘干时间为8-9h。
10.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述浇注过程在负压度为0.03～0.06MPa下进行，浇注温度为1410～1470℃，浇注速度为14-16mm·s-1。
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