CN111547781A - 一种高强度金属耐磨化合物材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强度金属耐磨化合物材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强度金属耐磨化合物材料及其制备方法，属于无机金属化合物制备领域，其分子式为AlxYyCuFeNiMnpOqZr，其中0.1≤x≤1.3；0.1≤y≤1；0.1≤p≤1.3；0.1≤q≤0.5；0.02≤x/(x+y+p+q+4)<0.25；0.01≤y/(x+y+p+q+4)<0.18；0.02≤p/(x+y+p+q+4)<0.25；0.01≤q/(x+y+p+q+4)<0.10。具体步骤为：按化学式称取所需原料置于研钵中混合；将混合后的粉末装入石墨模具，放电等离子烧结炉中温压成块；将块体置于真空熔炼炉进行熔炼，真空吸铸进水冷铜模中，取出样品，即得目标化合物。本发明化合物与原料金属元素配比成分一致，其物相结构是由两种面心立方相构成的双相化合物结构；所制备化合物双相比例可调，且化合物材料致密度高、耐磨性能好；操作简便，工艺简单。

Description

一种高强度金属耐磨化合物材料及其制备方法
技术领域
本发明属于无机金属化合物制备领域，具体涉及一种高强度金属耐磨化合物材料AlxYyCuFeNiMnpOqZr及其制备方法。
背景技术
金属化合物作为一种重要的合金相，可由多种组元按一定比例(一定的成分)构成一个新的点阵，它既不是溶剂的点阵，也不是溶质的点阵，通常金属化合物晶体结构较为复杂，典型特征是金属化合物的晶体结构类型不同于任一组元，其组成可用化学式表示，而非组合物。合金相按照晶体结构分类，除了金属化合物外，另一种是固溶体结构，是指一种组元(溶质)溶解在另一种组元(溶剂，一般是金属)中，其特点是溶剂(或称基体)的点阵类型不变，溶质原子或是代替部分溶剂原子而形成置换式固溶体，或是进入溶剂组元点阵的间隙中而形成间隙式固溶体。近些年来，多主元高混合熵化合物作为研究的热点，如高熵合金、高熵陶瓷等。新型高熵化合物的出现可为传统化合物材料的提供更为广阔的空间和发展潜力。对于金属材料而言，传统理论认为多种组元易于形成硬而脆的金属间化合物，从而限制了其应用范围；但对高熵化合物材料而言，可以在提高硬度与耐磨性等性能的同时，兼具塑性和韧性等，因此引起了广泛关注。虽然报道的新型多主元高熵合金倾向于形成简单的晶体结构，如：面心立方、体心立方、密排六方等；但与传统合金的面心立方金属(如：铝、铜、金、银、镍等)的空间群或点阵常数有显著区别，显然与传统合金不属于同一类型；当然同样是高熵化合物，即便晶体结构相同(如：都是面心立方结构)仍然存在多种类型的高熵化合物，这也是传统合金种类的本质区别一致，同属于面心立方铝和铜之所以不同在于其晶体结构和点阵常数大小等来进行区分的，与传统合金和高熵合金种类的本质区别一致，同样是基于其晶体结构和点阵常数大小等来进行区分的。本发明高强度金属耐磨化合物材料AlxYyCuFeNiMnpOqZr属于具有典型结构特征且具有新型晶体结构的化合物发明专利，而非组合物发明专利，可兼具良好的硬度耐磨性与塑性韧性。因此，通过设计和制备一种高强度金属耐磨化合物材料，具有广阔的市场前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强度金属耐磨化合物材料AlxYyCuFeNiMnpOqZr及其制备方法。
本发明提出的AlxYyCuFeNiMnpOqZr高强度金属耐磨化合物材料及其制备方法,通过真空熔炼法所制备的金属化合物是由两种简单立方相(空间群分别为：P-43m(215)和Pm-3m(221))构成的双相化合物结构，其分子式为AlxYyCuFeNiMnpOqZr；所制备化合物双相比例可调，且化合物块体致密度高、耐磨性能好。
实现本发明的技术方案是：AlxYyCuFeNiMnpOqZr化合物的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)按化学式AlxYyCuFeNiMnpOqZr，其中0.1≤x≤1.3；0.1≤y≤1；0.1≤p≤1.3；0.1≤q≤0.5；0.02≤x/(x+y+p+q+4)<0.25；0.01≤y/(x+y+p+q+4)<0.18；0.02≤p/(x+y+p+q+4)<0.25；0.01≤q/(x+y+p+q+4)<0.10；分别称取所需的纯金属粉末和按氧元素比例加入适量的氧化钇；并将原料粉末置于研钵中混合20min；
(2)将步骤(1)混合后的粉末装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中温压成块体；
(3)将步骤(2)中的块体置于真空熔炼炉中，当真空度达到1×10-3Pa后，充入氩气后，再次抽真空，反复抽真空和充氩气3次后，开始熔炼，为保证材料均匀性，反复熔炼3次，真空吸铸进水冷铜模中，取出样品，即得目标化合物。
所述步骤(1)中金属粉末的纯度高于99.5％，氧化钇纯度高于99.9％。
所述步骤(2)中温压的温度为450～600℃，压力为25～35Mpa。
所述步骤(3)中熔炼工艺参数：电流为250～400A，作用时间30～120s。
本发明的有益效果是：本发明方法制备的高强度金属耐磨化合物材料与原料金属元素配比成分一致，其物相结构是由两种面心立方相构成的双相化合物结构；所制备化合物双相比例可调，且化合物材料致密度高、耐磨性能好，其硬度较未添加稀土元素、氧元素和锆元素的材料提升30％以上；操作简便，工艺简单。
附图说明
图1是实施例1制备的高强度金属耐磨化合物材料的X射线衍射图谱。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
实施例1
按化学式为AlY0.1CuFeNiMnO0.1Zr分别称取0.400mol的铝粉、铜粉、铁粉、镍粉、锰粉和锆粉、0.014mol的钇粉和0.013mol的氧化钇，各种金属粉末的纯度高于99.5％，氧化钇纯度高于99.9％；将原料粉末置于研钵中混合20min；将混合后的粉末装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中600℃、25MPa下温压成块体；将上述块体置于真空熔炼炉中，当真空度达到1×10-3Pa后，充入氩气后，再次抽真空，反复抽真空和充氩气3次后，开始熔炼，电流为400A，作用时间为30s，为保证材料均匀性，反复熔炼3次，真空吸铸进水冷铜模中，取出样品，即得目标化合物。
实施例2
按化学式为Al1.3Y0.1CuFeNiMn0.1O0.1Zr分别称取0.520mol的铝粉、0.400mol的铜粉、铁粉、镍粉和锆粉、0.014mol的钇粉、0.013mol的氧化钇和0.040mol的锰粉，各种金属粉末的纯度高于99.5％，氧化钇纯度高于99.9％；将原料粉末置于研钵中混合20min；将混合后的粉末装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中500℃、30MPa下温压成块体；将上述块体置于真空熔炼炉中，当真空度达到1×10-3Pa后，充入氩气后，再次抽真空，反复抽真空和充氩气3次后，开始熔炼，电流为350A，作用时间为60s，为保证材料均匀性，反复熔炼3次，真空吸铸进水冷铜模中，取出样品，即得目标化合物。
实施例3
按化学式为Al0.1Y0.1CuFeNiMn1.3O0.1Zr分别称取0.040mol的铝粉、0.400mol的铜粉、铁粉、镍粉和锆粉、0.014mol的钇粉、0.013mol的氧化钇和0.520mol的锰粉，各种金属粉末的纯度高于99.5％，氧化钇纯度高于99.9％；将原料粉末置于研钵中混合20min；将混合后的粉末装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中450℃、35MPa下温压成块体；将上述块体置于真空熔炼炉中，当真空度达到1×10-3Pa后，充入氩气后，再次抽真空，反复抽真空和充氩气3次后，开始熔炼，电流为250A，作用时间为120s，为保证材料均匀性，反复熔炼3次，真空吸铸进水冷铜模中，取出样品，即得目标化合物。
实施例4
按化学式为Al0.5YCuFeNiMn0.5O0.1Zr分别称取0.200mol的铝粉和锰粉、0.400mol的铜粉、铁粉、镍粉和锆粉、0.374mol的钇粉、0.013mol的氧化钇，各种金属粉末的纯度高于99.5％，氧化钇纯度高于99.9％；将原料粉末置于研钵中混合20min；将混合后的粉末装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中500℃、30MPa下温压成块体；将上述块体置于真空熔炼炉中，当真空度达到1×10-3Pa后，充入氩气后，再次抽真空，反复抽真空和充氩气3次后，开始熔炼，电流为250A，作用时间为120s，为保证材料均匀性，反复熔炼3次，真空吸铸进水冷铜模中，取出样品，即得目标化合物。
实施例5
按化学式为Al0.5Y0.4CuFeNiMn0.5O0.5Zr分别称取0.20mol的铝粉和锰粉、0.40mol的铜粉、铁粉、镍粉和锆粉、0.026mol的钇粉、0.067mol的氧化钇，各种金属粉末的纯度高于99.5％，氧化钇纯度高于99.9％；将原料粉末置于研钵中混合20min；将混合后的粉末装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中600℃、25MPa下温压成块体；将上述块体置于真空熔炼炉中，当真空度达到1×10-3Pa后，充入氩气后，再次抽真空，反复抽真空和充氩气3次后，开始熔炼，电流为350A，作用时间为60s，为保证材料均匀性，反复熔炼3次，真空吸铸进水冷铜模中，取出样品，即得目标化合物。

Claims (4)

1.一种高强度金属耐磨化合物材料的制备方法，所述化合物的分子式为AlxYyCuFeNiMnpOqZr，且其是由两种简单立方相构成的双相化合物结构，包括具体步骤如下：
步骤(1)：按化学式AlxYyCuFeNiMnpOqZr，其中0.1≤x≤1.3；0.1≤y≤1；0.1≤p≤1.3；0.1≤q≤0.5；0.02≤x/(x+y+p+q+4)<0.25；0.01≤y/(x+y+p+q+4)<0.18；0.02≤p/(x+y+p+q+4)<0.25；0.01≤q/(x+y+p+q+4)<0.10；分别称取所需的纯金属粉末和按氧元素比例加入适量的氧化钇；并将原料粉末置于研钵中混合20min；
步骤(2)：将步骤(1)混合后的粉末装入石墨模具中，在放电等离子烧结炉中温压成块体；
步骤(3)：将步骤(2)中的块体置于真空熔炼炉中，当真空度达到1×10-3Pa后，充入氩气后，再次抽真空，反复抽真空和充氩气3次后，开始熔炼，为保证材料均匀性，反复熔炼3次，真空吸铸进水冷铜模中，取出样品，即得目标化合物。
2.如权利要求1所述的高强度金属耐磨化合物材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中金属粉末的纯度高于99.5％，氧化钇纯度高于99.9％。
3.如权利要求1所述的高强度金属耐磨化合物材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中温压的温度为450～600℃，压力为25～35Mpa。
4.如权利要求1所述的高强度金属耐磨化合物材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中熔炼工艺参数：电流为250～400A，作用时间30～120s。
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