CN113755737A - 双尺度颗粒增强金属基构型复合材料、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，公开了一种双尺度颗粒增强金属基构型复合材料、制备方法及应用，将纯钛粉和纯碳粉在真空式球磨机中充分搅拌混合后压制成型，并将压制好坯料破碎成颗粒，将颗粒清洗干净去除表面油渍和污染物之后将处理好的颗粒通过网筛，获得颗粒；将所得到的颗粒与不同体积分数的自制诱导剂进行混合，用自制粘结剂搅拌均匀，并填充到蜂窝构型的模具中，烘干、成型，得到含有特定形状的预制体；采用铸渗成型的方法将所得到的预制体与金属液实现浸渗、复合，通过原位反应得到所需的TiC增强金属基复合材料。本发明节约成本，利用浇注过程中发生的自蔓延反应得到颗粒增强金属基复合材料，提高金属与颗粒的结合强度。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，尤其涉及一种双尺度颗粒增强金属基构型复合材料、制备方法及应用。
背景技术
目前，传统的钢铁耐磨材料主要包括高铬铸铁、高锰钢、合金钢等，传统耐磨材料是主要应用于冶金、电力、煤炭、工程机械等行业。如冶金行业中的破碎机和挖掘机，球磨机、金属轧机等；电力工业所用的磨煤机，水泥行业所用的立磨磨辊、衬板等。传统耐磨材料由于其自身的局限性，已经越来越难以满足于复杂工况的严苛的要求。目前，颗粒增强金属基复合材料，由于同时兼备金属基体的强韧性的优点以及特殊颗粒高强度、高硬度的优点，二者相互结合大大减弱了材料的磨损损耗，同时还能发挥金属的强韧性优点，能在很大程度上减轻材料的磨损，提高耐磨件的使用寿命，降低材料的消耗，大大节约了成本，因此越来越受到人们的青睐。在众多的颗粒中由于碳化物颗粒碳具有硬度高、熔点高、模量高，与金属的热膨胀系数小等特点，成为复合材料的最优异增强体之一。而在众多的碳化物中，碳化钛密度较低热膨胀系数小，强度高，耐磨、耐腐蚀、耐氧化性能较高，是研究最热的钢铁基复合材料增强体之一。但是由于碳化钛的市场价格比较昂贵，大大提高了生产成本，这与低成本发展理念背道而驰。因此选用一种新的制备方法来生产TiC增强钢铁基复合材料，使该复合材料既能满足要求又能节约成本已成为研究热点。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统耐磨材料由于其自身的局限性，已经越来越难以满足于复杂工况的严苛的要求。同时，由于碳化钛的市场价格比较昂贵，大大提高了生产成本，这与低成本发展理念背道而驰。
解决以上问题及缺陷的难度为：颗粒增强金属基复合材料普遍存在增强颗粒与金属基体润湿性差的问题，很难找到一种与金属基体润湿性良好同时又具有高硬度的外加陶瓷颗粒，这种现象使得外加陶瓷颗粒增强金属基复合材料在承受磨损的同时会发生颗粒脱落现象，脱落的陶瓷颗粒成为新的磨料继续加强对金属基体的磨损，进一步降低了机器零部件的使用寿命。
解决以上问题及缺陷的意义为：通过制备双尺度TiC颗粒增强钢铁基复合材料，不仅能大大减少材料资源的浪费现象，并且所采用的是原位生成的方法获得的增强颗粒与金属基体润湿性良好，界面整洁无污染，提高界面结合能力的同时，还能缩短制备工序和时间。为颗粒增强金属基复合材料的进一步发展提供理论支撑，对减少能源消耗有一定的积极作用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双尺度颗粒增强金属基构型复合材料、制备方法及应用。
本发明是这样实现的，一种双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，所述双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法包括以下步骤：
步骤一，将Ti粉与C粉按照一定的比例配置后，在真空式球磨机中搅拌，充分混合均匀，得到Ti粉和C粉混合的合金粉；采用真空式球磨机混合不仅比手动混合所得到的混合金属粉更加均匀，并且在真空的环境下可以避免金属粉的氧化；
步骤二，将所述Ti粉和C粉混合的合金粉末放入特定模具中，将模具放置在压力机上压制，保压，进行压制成型，能得到具有一定强度的预制体，方便后期实验操作；
步骤三，将压制好的坯料采用特殊的实验方法进行破碎处理，并通过网筛过筛数遍，使所得到的颗粒大小基本一致；具有一定尺寸的陶瓷颗粒制作成预制体更方便金属液浸渗，并且尽量获得颗粒大小均匀一致的陶瓷颗粒能够保证实验数据的准确性；
步骤四，将处理好的颗粒与一定体积分数的自制原位诱导剂相混合，并加入特定粘结剂进行充分的搅拌，使原为诱导剂在陶瓷颗粒表面进行均匀的分布，添加诱导剂可以避免原位反应过程中生成的TiC颗粒出现团聚现象，最大程度上保证增强颗粒与弥散分布在金属基体中，含有不同诱导剂的颗粒在原位反应后所获得的TiC颗粒尺寸也是不同的；
步骤五，将混合好的颗粒填充到蜂窝构型的模具中，并进行烘干、成型，制成具有蜂窝构型的陶瓷颗粒预制体，蜂窝构型不仅使得预制体具有一定的强度，并且利于金属液的浸渗；
步骤六，采用铸渗的方法将获得的预制体放入型腔之中固定，并进行铸渗，使预制体与金属溶液在高温时发生自蔓延反应，得到预期的TiC颗粒增强金属基复合材料。
步骤七，待金属液冷却之后，即可获得TiC颗粒增强钢铁基构型复合材料。
进一步，步骤一中，所述搅拌时间为6～36h，在该时间段内可以使得混合的金属粉均匀性良好；
进一步，步骤二中，所述压制成型的方法为：将模具放置在压力机上，在5～50Pa的压力下压制并保压3～30min，得到具有理想强度的压坯；
进一步，步骤三中，所述网筛的目数为比增强体最小目数大2～6个目数，就会获得尺寸大小均匀一致的颗粒；
进一步，步骤三中，所述颗粒的目数为8～60目，在该目数下所得到的增强题颗粒能够在最大程度上保证浸渗的同时，也表现出良好的耐磨性；
进一步，步骤四中，所述自制原位诱导剂为金属粉末成分，包括还原铁粉、高铬铸铁粉、低铬铸铁粉、高锰钢粉、铜粉、硅粉或合金粉中的一种或几种，添加诱导剂可以避免原位反应过程中生成的TiC颗粒出现团聚现象，最大程度上保证增强颗粒与弥散分布在金属基体中，并且含有不同诱导剂的颗粒在原位反应后所获得的TiC颗粒尺寸也是不同的；
进一步，步骤四中，所述粘结剂为水玻璃、硅溶胶、聚乙烯醇或纤维素中的一种或几种，粘结剂的作用为使得颗粒能够制作成蜂窝构型的预制体；
进一步，步骤四中，所加入的诱导剂、粘结剂以增强体颗粒质量为参照，分别为质量分数的1％～90％、1％～30％，诱导剂过少颗粒的弥散程度不够，粘结剂添加过少所得预制体强度不高。
进一步，步骤七中，含有不同体积分数的诱导剂的增强颗粒在铸渗之后原位反应生成TiC颗粒的尺寸是不同的，且每种体积分数诱导剂的增强颗粒在铸渗之后生成的TiC颗粒在宏观上都形成毫米级颗粒，但是在微观上这些颗粒都呈微米级尺寸，诱导剂含量不同所得TiC颗粒尺寸不同，双尺度颗粒混合增强，进一步提高了零部件的耐磨性和使用寿命。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法制备得到的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料。金属基体为高锰钢、高铬铸铁或合金钢。
本发明的另一目的在于提供一种所述双尺度颗粒增强金属基构型复合材料在钢铁耐磨中的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，首先将纯钛粉和纯碳粉按照一定比例在真空式球磨机中充分搅拌混合，之后在一定的压力进行压制成型，并采用特殊的处理方式将压制好坯料破碎成8-60目大小的颗粒，将颗粒清洗干净去除表面油渍和污染物之后将处理好的颗粒通过一定目数的网筛，获得大小一致的颗粒。接着将所得到的颗粒与不同体积分数的自制诱导剂进行充分混合，并用自制粘结剂搅拌均匀，并填充到蜂窝构型的模具中，烘干、成型，得到含有特定形状的预制体；最后采用铸渗成型的方法将所得到的预制体与金属液实现浸渗、复合，通过原位反应，得到所需的TiC增强金属基复合材料。TiC颗粒表面无污染，与基体结合良好。由于所加增强体颗粒中诱导剂所占体积分数的不同，所得到的原位生成的TiC增强体颗粒的尺寸就会不相同，含有不同体积分数的诱导剂在铸渗之后所得到复合材料中TiC颗粒宏观上是毫米级颗粒，在微观上是微米级别的细小颗粒，且TiC颗粒在宏观上按照蜂窝构型排布，因此称为双尺度TiC颗粒增强钢铁基构型复合材料。
本发明以Ti粉和C粉为起点，利用传统的铸渗的实验方法，使混合后的Ti粉和C粉压制成型并破碎成颗粒后，与不同体积分数的原为诱导剂相混合再利用粘结剂使其制作成蜂窝形状的预制体，使其与高温金属液在浇注过程中发生高温自蔓延合成，从而得到TiC颗粒增强金属基复合材料，并使得TiC颗粒在宏观上是毫米级颗粒并具有蜂窝构型，在微观上是微米级颗粒，这种复合方法既能在成本较低的情况下获得TiC颗粒增强金属基复合材料，又能解决颗粒与金属基体复合困难的问题，具有远大的应用前景。
本发明选用一定比例混合而成的Ti粉和C粉进行压制成型后采用特定的方法破碎并制备成蜂窝形状的预制体，有效节约成本的同时还能对复合区界面进行控制。本发明选用Ti粉与C粉混合，不仅可以大大缩减实验成本，省去直接购买TiC的高昂成本，可以自由控制Ti粉与C粉的含量比例，为后续性能的优化提供便利。TiC颗粒表面无污染，与基体结合良好。
本发明并非采用市场上直接售卖的TiC柱顶或其颗粒，而是采用Ti粉与C粉混合后进行压制成型再采用特定的方法破碎，随后和自制原为诱导剂以及粘结剂混和制作预制体再浇注，这种方法除了能节约成本之外还能利用浇注过程中发生的自蔓延反应得到颗粒增强金属基复合材料，在一定程度上提高了金属与颗粒的结合强度；通过对颗粒表面添加自制原为诱导剂，在浇注过程中提供了反应性界面，并根据所添加原位诱导剂体积分数的的不同，获得不同尺寸的TiC颗粒，通过调整原位诱导剂的含量实现对颗粒大小和分布的控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的复合材料示意图。
图3是本发明实施例提供的复合材料的金相显微组织示意图。
图4是本发明实施例提供的TiC颗粒增强钢铁基复合材料局部区域扫描电镜图。
图5是本发明实施例提供的衬板示意图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双尺度颗粒增强金属基构型复合材料、制备方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法包括以下步骤：
S101，将Ti粉与C粉按照一定的比例配置后，在真空式球磨机中搅拌，充分混合均匀，得到Ti粉和C粉混合的合金粉；
S102，将所述Ti粉和C粉混合的合金粉末放入特定模具中，将模具放置在压力机上压制，保压，进行压制成型；
S103，将压制好的坯料采用特殊的实验方法进行破碎处理，并通过网筛过筛数遍，使所得到的颗粒大小基本一致；
S104，将处理好的颗粒与一定体积分数的自制原位诱导剂相混合，并加入特定粘结剂进行充分的搅拌，使原为诱导剂在陶瓷颗粒表面进行均匀的分布；
S105，将混合好的颗粒填充到蜂窝构型的模具中，并进行烘干、成型，制成具有蜂窝构型的陶瓷颗粒预制体；
S106，采用铸渗的方法将获得的预制体放入型腔之中固定，并进行铸渗，使预制体与金属溶液在高温时发生自蔓延反应；
S107，待金属液冷却之后，即可获得TiC颗粒增强钢铁基构型复合材料。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
由于反击破板锤在细碎作业过程中要承受最大程度地冲击与切削，因此对于反击破板锤硬度与耐磨性有较高的要求；反击破板锤型号越大，板锤的重量也就越重，所破碎的物料粒度也就越大，单位产量越高；同时反击破板锤受到的冲击越大，所以在选择反击破板锤时应首先考虑在保证板锤韧性的前提下，最大限度地提高板锤的硬度。现制作简易双尺度TiC颗粒增强高铬铸铁基板锤，并模拟板锤工作条件，其具体步骤如下：
(1)将1mol Ti粉与1mol C粉按照该比例配置后，在球磨机中搅拌12h，使其充分混合均匀，得到所需Ti粉和C粉混合的合金粉；
(2)将混好的粉末放在压力机上，在20Pa的压力下并保压20分钟进行压制成型；
(3)将压制好的坯料放在震碎机里进行震碎处理，并通过网筛过筛数遍，使所得到的颗粒大小基本一致，得到目数为16目的颗粒；
(4)将处理好的颗粒称取100g，并与6g的自制原为诱导剂混合在一起并加入10g粘结剂进行充分的搅拌，将混合后的颗粒称为颗粒A，再次称取颗粒100g，并与20g的自制原为诱导剂混合在一起并加入10g粘结剂进行充分的搅拌，将混合后的颗粒称为颗粒B将颗粒A与颗粒B混合均匀并将混合好的颗粒填充到蜂窝构型模具中，并进行烘干、成型，制成预制体。
(5)将获得的预制体放入型腔之中固定，并进行铸渗，使预制体与金属溶液在高温时发生自蔓延反应。
(6)待金属液冷却之后，进行取样，获得所需的双尺度构型TiC颗粒增强钢铁基复合材料。复合材料的示意图如图2所示。同时颗粒A与颗粒B铸渗后所获得的TiC颗粒在宏观上皆是毫米级颗粒，并且在微观上皆表现为微米级颗粒。
(7)利用实验室条件，对比纯高铬铸铁基体板锤与制备的双尺度TiC颗粒增强高铬铸铁板锤，对比发现制备的复合板锤比纯基体板锤的工作时间延长了一倍。
实施例2
锤式破碎机锤头与物料撞击的锤头端部主要承受冲击力和摩擦力的作用，需要足够的硬度与耐磨性，而锤柄主要承受交变的弯曲应力作用，应该具有一定的强度和苏醒。对于单一材料而言，这两者本身就是相互矛盾的，增加其硬度和耐磨性，塑性就会下降。锤头质量与破碎能力成正比，但增加质量会加大能耗，提高成本；现制作简易双尺度TiC颗粒增强合金钢基锤头，并模拟锤头工作条件，其具体步骤如下：
(1)将1mol Ti粉与0.8mol C粉按照该比例配置后，在球磨机中搅拌15h，使其充分混合均匀，得到所需Ti粉和C粉混合的合金粉；
(2)将混好的粉末放在压力机上，在30Pa的压力下并保压15分钟进行压制成型；
(3)将压制好的片进行破碎处理，并通过网筛过筛数遍，使所得到的颗粒大小基本一致，得到目数为20目的颗粒；
(4)将处理好的颗粒称取100g，并与30g的自制原位诱导剂混合在一起并加入30g粘结剂进行充分的搅拌，使金属粉在陶瓷颗粒表面进行均匀的分布；并将混合好的颗粒填充到无构型的普通的模具中，并进行烘干、成型，制成预制体。
(5)采用铸渗的方法将获得的预制体放入型腔之中固定，并进行铸渗，金属基体选用合金钢，在浇注的过程中使预制体与金属液在高温时发生自蔓延反应。从而获得TiC颗粒增强合金钢基复合材料。
(6)待金属液冷却之后，获得所需的双尺度TiC颗粒增强钢铁基复合材料。如图3所示为复合材料的金相显微组织示意图，从图3中可以看出，增强体颗粒在宏观上表现为毫米级颗粒，在微观上表现为微米级颗粒。如图4所示为该复合材料的扫描电镜图，从图中可以看出原位生成的TiC较为均匀地分布在金属基体中，颗粒平均尺寸为1-2um。
(7)利用实验室条件，对比纯合金钢基体锤头与制备的双尺度TiC颗粒增强合金钢基锤头，对比发现制备的复合合金钢锤头的质量损失比纯合金钢基体的锤头的质量损失降低了1.5倍。
实施例3
耐磨衬板的磨损一般是两种形式，一是高应力磨损，二是凿削式磨损。对高应力磨损，要求衬板表面有尽可能高的硬度，以抵抗磨料的压力，耐磨板减轻表面脆化脱落的现象。对凿削式磨损，要求耐磨衬板能承受一定的冲击载荷：球磨机衬板、铁锻和立窑用衬砖，由于受磨料产生的冲击力不大，因其磨损形式主要以高应力磨损为主。现制作简易双尺度TiC颗粒增强高锰钢基衬板，并模拟衬板工作条件，其具体步骤如下：
(1)将1mol Ti粉与0.5mol C粉按照该比例配置后，在球磨机中搅拌24h，使其充分混合均匀，得到所需Ti粉和C粉混合的合金粉；
(2)将混好的粉末放在压力机上，在20Pa的压力下并保压20分钟进行压制成型；
(3)将压制好的片进行破碎处理，并通过网筛过筛数遍，使所得到的颗粒大小基本一致，得到目数为60目的颗粒；
(4)将处理好的颗粒称取100g，并与5g的高铬铸铁混合在一起并加入8g粘结剂进行充分的搅拌，使金属粉在陶瓷颗粒表面进行均匀的分布；并将混合好的颗粒填充到蜂窝构型的模具中，并进行烘干、成型，制成预制体。
(5)采用铸渗方法将获得的预制体放入型腔之中固定，并进行铸渗，使预制体与金属溶液在高温时发生自蔓延反应。
(6)待金属液冷却之后，获得所需的双尺度TiC颗粒增强钢铁基构型复合材料。该复合材料宏观形状呈衬板，使其应用在特定工况下充分发挥其耐磨性好的特点，从而减少材料的损耗，并实现该复合材料的大批量生产。该复合材料的示意图如图5所示。其中蜂窝构型中的TiC颗粒在宏观上皆是毫米级颗粒，在微观上显示出微米级颗粒。
(7)利用实验室条件，对比纯高锰钢基体衬板与制备的双尺度TiC颗粒增强高锰钢衬板，对比发现制备的纯基体高锰钢衬板的犁沟深度比纯复合高锰钢的衬板的犁沟深度深了1.6倍。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，其特征在于，所述双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法包括：
步骤一，将Ti粉与C粉按照一定的比例配置后，在真空式球磨机中搅拌，充分混合均匀，得到Ti粉和C粉混合的合金粉；
步骤二，将所述Ti粉和C粉混合的合金粉末放入特定模具中，将模具放置在压力机上压制，保压，进行压制成型；
步骤三，将压制好的坯料采用特殊的实验方法进行破碎处理，并通过网筛过筛数遍；
步骤四，将处理好的颗粒与一定体积分数的自制原位诱导剂相混合，并加入特定粘结剂进行充分的搅拌，使原为诱导剂在陶瓷颗粒表面进行均匀的分布；
步骤五，将混合好的颗粒填充到蜂窝构型的模具中，并进行烘干、成型，制成具有蜂窝构型的陶瓷颗粒预制体；
步骤六，采用铸渗的方法将获得的预制体放入型腔之中固定，并进行铸渗，使预制体与金属溶液在高温时发生自蔓延反应；
步骤七，待金属液冷却之后，即可获得TiC颗粒增强钢铁基构型复合材料。
2.如权利要求1所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，其特征在于，步骤一中，所述搅拌时间为6～36h。
3.如权利要求1所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，其特征在于，步骤二中，所述压制成型的方法为：将模具放置在压力机上，在5～50Pa的压力下压制并保压3～30min。
4.如权利要求1所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，其特征在于，步骤三中，所述网筛的目数为比增强体最小目数大2～6个目数。
5.如权利要求1所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，其特征在于，步骤三中，所述颗粒的目数为8～60目。
6.如权利要求1所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，其特征在于，步骤四中，所述自制原位诱导剂为金属粉末成分，包括还原铁粉、高铬铸铁粉、低铬铸铁粉、高锰钢粉、铜粉、硅粉或合金粉中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，其特征在于，步骤四中，所述粘结剂为水玻璃、硅溶胶、聚乙烯醇或纤维素中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法，其特征在于，步骤四中，所加入的诱导剂、粘结剂以增强体颗粒质量为参照，分别为质量分数的1％～90％、1％～30％；
步骤七中，含有不同体积分数的诱导剂的增强颗粒在铸渗之后原位反应生成TiC颗粒的尺寸是不同的，且每种体积分数诱导剂的增强颗粒在铸渗之后生成的TiC颗粒在宏观上都形成毫米级颗粒，但是在微观上这些颗粒都呈微米级尺寸。
9.一种由如权利要求1～8任意一项所述的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料制备方法制备得到的双尺度颗粒增强金属基构型复合材料。
10.一种如权利要求9所述双尺度颗粒增强金属基构型复合材料在钢铁耐磨中的应用。
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