CN113718156A - 一种三维预制体结构wc颗粒增强铁基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，属于复合材料制备方法技术领域。将WC颗粒、Ni粉、高碳铬铁粉按一定比例球磨混合均匀，将软体胶类加到具有不同孔状结构的塑料模具中凝固，形成中间凸起而周围凹槽的模具，将混合均匀的粉末填充到凹槽中制成带孔洞的预制体坯料，利用胶模较高的弹塑性将预制体取出放在加热炉中加热，使预制体中粘结剂固化成形，再将预制体放置到砂型型腔中固定，将金属铁液浇注到型腔中，使金属液流入到预制体孔洞中，溶解孔洞周围的预制体结构，形成均匀的WC铁基复合材料。本发明提出的制备方法工艺简单，可操作性强，生产周期较短，具有较均匀的复合材料组织，可显著提高WC铁基复合材料的硬度和耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，属于陶瓷颗粒增强金属基复合材料技术领域。
背景技术
传统高铬铸铁是目前常用的单一金属耐磨材料，高铬铸铁在具有一定磨料磨损等工况下存在耐磨性不足，且随着使用环境温度增加耐磨性会降低等现象，而陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料因其兼具陶瓷增强颗粒的高硬度、高模量与铁基的良好韧性、成形性，其中WC颗粒增强铁基复合材料的耐磨性较高、易于制备、成本低廉引起广泛研究。国内外学者对WC增强铁基复合材料进行了系列研究，专利CN 108103387A提出了一种纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料，其采用40h球磨WC颗粒，添加Cu、Mo、Ni、Cr、石墨等多种合金元素，并在热压炉中烧结获得具有纳米WC颗粒的铁基复合材料，但是其添加大量合金元素导致生产成本增加，球磨工艺时间较长，增加了生产周。此外，整体复合材料对中小型尺寸的耐磨件具有一定的复合效果，而对于大型耐磨件上难以实现整体复合，金属液与预制体结构的浸渗层较小，甚至产生缩松缩孔等缺陷，降低复合材料的耐磨性。
发明内容
为了克服上述陶瓷颗粒增强铁基的不足，本发明提出了一种三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，具体为：通过预先制备多孔洞三维预制体结构，然后利用金属铁液使预制体溶解扩散形成复合材料，三维预制体原料按重量分数计，包括40～60％的WC颗粒、30～40％的Ni粉以及10～20％的高碳铬铁粉，其中WC颗粒的粒径为80-180μm；Ni粉的粒径为250～350目，高碳铬铁粉的粒径为200～300目；所述金属铁液为高铬铸铁液。
进一步的，本发明所述的三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将三维预制体原料WC颗粒、Ni粉、高碳铬铁粉按重量分数称量，加入粘结固化剂后加入球磨罐中进行真空球磨得到混合粉末；
(2)将具有一定回弹塑性变形能力且耐热耐高温的软体胶类(如氟橡胶、硅橡胶)加到具有不同尺寸、不同孔状结构的塑料模具中，待其凝固后形成中间有多个凸起而周围为凹槽的模具，将球磨后的混合粉末加入到模具中填满压平实；
(3)将含预制体结构粉末的模具放在加热炉中进行阶梯式加热，粘结固化剂受热会发固化将使预制体原料粉末较好的结合，然后取出预制体，获得具有不同尺寸规格的三维预制体结构；
(4)将三维预制体结构放置在砂型型腔中固定，将金属铁液浇注到型腔中，使金属液流入到预制体结构的孔洞中，并向预制体中渗透，使孔洞周围的预制体溶解和溃散，从而形成均匀的WC铁基复合材料。
优选的，步骤(1)中所加入的WC颗粒为球形或不规则形状，粘结固化剂为水玻璃，粘结固化剂的加入量为混合粉末质量的5～8％。
优选的，本发明步骤(3)中所得三维预制体中孔的形状为圆形，孔的直径为5～15mm，孔周围的预制体厚度为5～15mm。根据实际需要，本发明所述方法中，孔的形状还可以为方形，多边形或者是不规则形状的。
优选的，本发明所述阶梯式加热的条件为：先加热至50～100℃保温5～10min，再加热至100～200℃保温3～5min。
优选的，本发明所述金属铁液浇注时采用底注式重力浇铸，浇注温度为1450℃～1550℃。
除特别说明外，本发明所有百分比均为质量百分比。
本发明的原理：以WC/Fe基表层复合材料为研究体系，提出了通过将合金粉末加入塑料模具中，形成不同形状孔洞且具有一定壁厚的三维预制体结构，可根据需要获得不同厚度和不同结构的预制体。选择高硬度、高模量且与铁基完全润湿的WC颗粒，添加不溶于水且具有可塑性和耐高温性的Ni，同时加入少量促进颗粒在复合过程中溶解的高碳铬铁粉，便于应用在耐热耐磨服役环境下运行的耐磨复合材料。将三维预制体结构在加热炉中进行阶梯式加热，粘结剂受热会发固化将使预制体合金粉末较好的结合，再将预制体与具有良好韧性的高铬铸铁进行复合，此过程利用金属液浸渗能力和预制体溶解消散，使金属液与预制体中的WC陶瓷颗粒充分反应，随着反应的进行，析出硬质相，形成均匀的表层整体复合材料，实现高厚度复合材料的制备。此外，通过设计不同孔洞直径和孔洞壁厚等工艺参数可以调控复合材料中的元素分布与组织形态，使其从而同步提高复合层厚度、组织均匀性以及性能的新型制备方法。
本发明的有益效果：
(1)根据实际需求设计预制体结构，得到初步形状的模具，再将具有一定回弹塑性变形能力且耐热耐高温的软体胶类材料填充进模具中，获得中间为凸起而周围为具有一定间隙宽度的模具，再将均匀混合的预制体粉末加入到模具中铺满压实，可实现构型不同结构特征和规格的预制体。
(2)通过阶梯式加热固化方法，将含粉末的模具依次加热至一定温度并保温，使粉末中的粘结剂凝固成形，利用软体胶类优异的变形能力取出预制体，有利于三维预制体结构的脱模，提高三维预制体结构的结合强度。
(3)通过铸渗法将预制体结构与高铬铸铁基体进行复合，金属液与三维预制体结构预制体充分反应使其溶解和溃散，形成的复合层厚度增加，复合组织均匀，致密性较好。
(4)本发明获得的WC陶瓷颗粒构型复合材料能够使预制体较大面积的溶解到金属铁液中，析出高硬度的碳化物，能够应用到大型陶瓷颗粒增强铁基的耐磨件上，获得较高的硬度和耐磨性。
附图说明
图1本发明的WC铁基复合成形工艺原理示意图。
具体实施方式
通过以下实施进一步说明本发明的方法，但本发明的保护范围并不限于所述实施例内容。
实施例1
本实施例所述一种三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，复合成形工艺如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)分别称取40％不规则WC颗粒+40％Ni粉+20％高碳铬铁粉，其中不规则WC颗粒的粒径为80μm，Ni粉粒径为250目，高碳铬铁粉粒径为200目，然后加入水玻璃，放入球磨罐中进行真空球磨得到预制体粉末，水玻璃的加入质量为预制体粉末质量的5％。
(2)将氟橡胶加到直径为5mm孔状结构的塑料模具中，待其凝固后形成中间呈5mm圆形凸起而周围为凹槽的模具，将预制体粉末加入到模具中填满压平实。
(3)将含预制体结构粉末的模具放在加热炉中阶梯式加热到100℃保温10min，再加热至200℃保温5min，从模具中取出预制体，获得孔洞直径为5mm的三维预制体结构。
(4)将预制体放置在砂型型腔中固定，在浇注温度为1550℃下将高铬铸铁液浇注到型腔中，采用底注式重力浇铸，使金属液流入到预制体结构的孔洞中，使孔洞周围的预制体溶解和溃散，从而形成均匀的WC铁基复合材料。
本实施例制备的WC铁基复合材料，经过显微硬度和三体磨料磨损实验发现，与无任何预制体的高铬铸铁相比，经过该方法复合后预制体溶解形成明显的复合层区域，
厚度约为180μm，显微硬度从基体的452HV增加到复合层的816HV，耐磨性提高23％。
实施例2
本实施例所述一种三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)分别称取50％不规则WC颗粒+35％Ni粉+15％高碳铬铁粉，其中不规则WC颗粒的粒径为130μm，Ni粉粒径为300目，高碳铬铁粉粒径为250目，然后加入水玻璃，放入球磨罐中进行真空球磨得到预制体粉末，水玻璃的加入质量为预制体粉末质量的6％。
(2)将氟橡胶加到直径为10mm孔状结构的塑料模具中，待其凝固后形成中间呈10mm圆形凸起而周围为凹槽的模具，将预制体粉末加入到模具中填满压平实。
(3)将含预制体结构粉末的模具放在加热炉中阶梯式加热到75℃保温7.5min，再加热至150℃保温4min，从模具中取出预制体，获得孔洞直径为10mm的三维预制体结构。
(4)将预制体放置在砂型型腔中固定，在浇注温度为1500℃下将高铬铸铁液浇注到型腔中，采用底注式重力浇铸，使金属液流入到预制体结构的孔洞中，使孔洞周围的预制体溶解和溃散，从而形成均匀的WC铁基复合材料。
本实施例制备的WC铁基复合材料，经过显微硬度和三体磨料磨损实验发现，与无任何预制体的高铬铸铁相比和实施例1相比，经过该方法复合后预制体溶解形成的复合层区域比实施例1较厚，厚度为420μm，显微硬度从基体452HV增加到复合层的848HV，耐磨性提高28％。
实施例3
本实施例所述一种三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)分别称取60％不规则WC颗粒+30％Ni粉+10％高碳铬铁粉，其中不规则WC颗粒的粒径为180μm，Ni粉粒径为350目，高碳铬铁粉粒径为300目，然后加入水玻璃，放入球磨罐中进行真空球磨得到预制体粉末，水玻璃的加入质量为预制体粉末质量的8％。
(2)将硅橡胶加到直径为15mm孔状结构的塑料模具中，待其凝固后形成中间呈15mm圆形凸起而周围为凹槽的模具，将预制体粉末加入到模具中填满压平实。
(3)将含预制体结构粉末的模具放在加热炉中阶梯式加热到50℃保温5min，再加热至100℃保温3min，从模具中取出预制体，获得孔洞直径为15mm的三维预制体结构。
(4)将预制体放置在砂型型腔中固定，在浇注温度为1450℃下将高铬铸铁液浇注到型腔中，采用底注式重力浇铸，使金属液流入到预制体结构的孔洞中，使孔洞周围的预制体溶解和溃散，从而形成均匀的WC铁基复合材料。
本实施例制备的WC铁基复合材料，经过显微硬度和三体磨料磨损实验发现，与无任何预制体的高铬铸铁相比和实施例1相比，经过该方法复合后预制体溃散最明显，复合层厚度最大，达到665μm，显微硬度从基体452HV增加到复合层的862HV，耐磨性提高36％。
实施例4
本实施例所述一种三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，采用球形WC颗粒，其余步骤均与实施例3相同，结果表明本实施例制备的WC铁基复合材料，经过显微硬度和三体磨料磨损实验发现，与无任何预制体的高铬铸铁相比和实施例3相比，经过该方法复合后复合层效果仅次于实施例3，达到620μm，显微硬度从基体452HV增加到复合层的854HV，耐磨性提高32％。
Claims (7)
1.一种三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：通过预先制备多孔洞三维预制体结构，然后利用金属铁液使预制体溶解扩散形成复合材料，三维预制体原料按重量分数计，包括40～60％的WC颗粒、30～40％的Ni粉以及10～20％的高碳铬铁粉，其中WC颗粒的粒径为80-180μm；Ni粉的粒径为250～350目，高碳铬铁粉的粒径为200～300目。
2.根据权利要求1所述的三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属铁液为高铬铸铁液。
3.根据权利要求1或2所述的三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将三维预制体原料WC颗粒、Ni粉、高碳铬铁粉按重量分数称量，加入粘结固化剂后加入球磨罐中进行真空球磨得到混合粉末；
(2)将软体胶加到具有不同尺寸、不同孔状结构的塑料模具中，待其凝固后形成中间有多个凸起而周围为凹槽的模具，将球磨后的混合粉末加入到模具中填满压平实；
(3)将含预制体结构粉末的模具放在加热炉中进行阶梯式加热，粘结固化剂受热会发固化将使预制体原料粉末较好的结合，然后取出预制体，获得具有不同尺寸规格的三维预制体结构；
(4)将三维预制体结构放置在砂型型腔中固定，将金属铁液浇注到型腔中，使金属液流入到预制体结构的孔洞中，并向预制体中渗透，使孔洞周围的预制体溶解和溃散，从而形成均匀的WC铁基复合材料。
4.根据权利要求3所述的三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所加入的WC颗粒为球形或不规则形状，粘结固化剂为水玻璃，粘结固化剂的加入量为混合粉末质量的5～8％。
5.根据权利要求3所述的三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所得三维预制体中孔的形状为圆形，孔的直径为5～15mm，孔周围的预制体厚度为5～15mm。
6.根据权利要求3～5任意一项所述的三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：阶梯式加热的条件为：先加热至50～100℃保温5～10min，再加热至100～200℃保温3～5min。
7.根据权利要求6所述的三维预制体结构WC颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：金属铁液浇注时采用底注式重力浇铸，浇注温度为1450℃～1550℃。
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2021
- 2021-08-23 CN CN202110968467.5A patent/CN113718156B/zh active Active
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