CN114769589A - 一种金属基耐磨复合材料预制体的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，属于金属基复合材料技术领域。本发明所述方法为先选择三维结构类型，对预制体的三维结构等参数进行设定，利用3D打印设备制备可拆卸预制体模具；随后选取陶瓷颗粒和合金粉末，制备出三维结构预制体，然后将金属液浇注在型腔中，使金属液与预制体充分发生反应，最终生成陶瓷颗粒增强金属基复合材料。本发明工艺流程简单，预制体模具可拆卸，可重复利用，降低生产成本；预制体三维结构设计可使陶瓷颗粒与金属基体材料润湿性好，结合更牢固，用于制备金属基复合材料的性能得到了显著的提升，复合层硬度相较于基体提升了3.75‑4.04倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，属于金属基复合材料制造技术领域。
背景技术
现代工业迫切需要能在恶劣磨损工况如高温、高速摩擦磨损下有效工作的工件。在工业生产中的许多领域如燃煤电厂、水泥、钢铁、矿山等领域都存在恶劣的工作环境，要求工作部件同时具备耐磨耐热或耐磨耐冲击综合性能，因此具有单一性能的材料已不能满足工况的需求，各种陶瓷颗粒增强铁基耐磨材料受到研究者越来越多的重视。与传统的金属耐磨材料相比，陶瓷颗粒增强金属基表面复合材料将金属材料的高强韧性和陶瓷颗粒的高硬度有效结合起来，形成整体耐冲击和表面耐磨损的高性能材料，从而引起了广泛的研究。
中国发明专利（ZL201010235198）是将陶瓷颗粒和金属粉混合后填充于石墨模具中，然后连同模具一起放入真空炉中烧结，金属粉将陶瓷颗粒粘结成预制体，然后再将预制体浇铸在耐磨件的表面，但该工艺制备的预制体存在孔隙度大、耐磨寿命短等缺陷。中国发明专利（ZL201110445138)采用了一种陶瓷颗粒增强钢铁基网格状复合材料的制备方法，通过粉末烧结将硬质陶瓷颗粒和合金粉的混合物烧结成条状块，将条状块拼接成网状结构或者网状立体骨架结构，采用砂型或消失模铸造熔炼基材金属材料，将其浇注入型腔中，室温冷却凝固得到所需复合材料。该工艺存在以下缺陷：对于球面或其他不规则形状的耐磨面，条状块难以实现；条状块不利于大中型耐磨件制备；浇铸后条状块粘结处无金属材料，留有缝隙，存在使用隐患。中国发明专利（ZL92104706）采用的工艺步骤是将制备好的消失模放入铸型中，这样在消失模和铸型间就形成空隙。将空隙填满硬质颗粒，合箱抽真空浇注，从而在表面形成含硬质颗粒的耐磨材料。该方法工艺复杂，不能很好的将消失模负压铸造工艺的优点利用起来，生产效率低，且复合层厚度低，很容易在结合区形成几种的缩孔缺陷，影响复合区整体性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成型效率高、强度高、低成本、工艺简单的多形状金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，先选择三维结构类型，对预制体的三维结构等参数进行设定，利用3D打印设备制备可拆卸预制体模具。随后选取陶瓷颗粒和合金粉末，制备出三维结构预制体，包括如下步骤：
（1）根据三维结构类型的选择，对预制体的三维结构参数进行设定，利用3D打印设备制备预制体模具，最后将预制体模具模块装好，固定后，用氟素高效脱模剂喷洒均匀。
（2）选取陶瓷颗粒和合金粉末，按比例置于真空球磨罐中进行真空球磨，混合均匀后以水玻璃作为粘结剂，将陶瓷颗粒与粘结剂混合均匀得混合物，其中，粘结剂的加入量是陶瓷颗粒质量的4%-6%。
（3）将混合好的混合粉末和粘结剂装填于步骤（1）打印组合好的预制体模具中，利用粉末压制装置压实。
（4）将压实好的预制体混合物模具进行固化烧结7~10min后取出，沿预制体长度方向脱模后得到三维结构预制体，所述三维结构预制体中间设有孔洞，壁厚为2.5~7.5mm，如图2所示。
优选的，本发明所述预制体原料按重量分数计，包括50wt%的WC颗粒、25wt%的FeCr55C6.0颗粒以及25wt%的Ni60颗粒；WC颗粒的粒径为150-200μm；FeCr55C6.0颗粒的粒径为150-190μm；Ni60颗粒的粒径为60-90μm，基体材料为高铬铸铁，其中，WC颗粒为不规则形状的铸造碳化钨颗粒。
本发明所述粘结剂为常用粘结剂，例如水玻璃、硅溶胶、铝溶胶、碳酸钠、聚乙烯醇、酚醛树脂等。
优选的，本发明所述预制体的形状为三角形、正方形、正六边形中的一种或几种，如图2所示。
进一步的，本发明所述预制体模具包括树脂底板1、第1模具侧板2、第2模具侧板4、紧固螺栓4；所述模具底板1为矩形板；模具底板的四周分别和第1模具侧板2与第2模具侧板3的一端活动连接；第1模具侧板2的另一端与第2模具侧板3的另一端分别设有配合连接的插孔，插孔中加入紧固螺栓4，达到模具的固定作用。
优选的，本发明所述预制体模具材料为光敏树脂或进口尼龙；预制体脱模材料为氟素高效脱模剂。
优选的，本发明所述步骤（3）中预制体压制工艺为：加压至15MPa，保持5-10min；再升压至20MPa，保持5-10min。
优选的，步骤(4)中所述的：正方形预制体高度为20mm孔间距为15mm，壁厚可以依次选取为2.5mm，5mm，7.5mm和10mm。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述方法可以有效解决现有预制体脱模技术的不足，提供一种成型效率高、强度高、低成本、工艺简单的多形状颗粒增强金属基耐磨复合材料预制体的成型方法及成型模具。
（2）本发明利用3D打印设备制备预制体模具，预制体的三维结构参数可以灵活进行设定，制作的预制体形状可以为三角形、正方形、正六边形中的一种或几种，预制体模具可拆卸，且模具可重复利用，降低生产成本。
（3）该快速脱模的预制体模具，通过连接模具上设置的固定螺丝，需要脱模时，只需要将固定螺丝拆卸使，且数量为四个的固定螺丝没有现有技术的固定螺栓组的拆卸繁琐，进而使模具底板和第1模具侧板与第2模具侧板的解除配合连接，方便于使用者将其拆卸并实现脱模。
（4）模具拆卸后，预制体表面不会与模具黏着，预制体成型效果好、无瑕疵，不会产生裂纹及孔隙大等问题，且制备的预制体硬度良好，表面耐磨；相比较传统的钢铁材料的耐磨性能，在高铬铸铁中加入陶瓷颗粒预制体结构可显著提升复合材料的力学与耐磨性能，预制体孔洞设计可以保证了陶瓷颗粒与金属基体材料结合更牢固；随着金属液浸入，三维预制体结构预制体充分反应会发生溶解和溃散现象，预制体四周会均匀溶解到高铬铸铁液中，析出高硬度的碳化物；形成的复合层厚度增加，复合组织均匀，致密性较好。
附图说明
图1为本发明预制体成型模具的立体结构示意图。
图中：1-模具底板，2-第1模具侧板，3-第2模具侧板，4-紧固螺栓。
图2为本发明预制体成型模具的实物图。
具体实施方式
下面列举具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明的一种颗粒增强金属基耐磨复合材料预制体是通过可拆卸模具进行加工制造而成；成型模具的结构如图1和2所示，包括树脂模具底板、第1模具侧板、第2模具侧板，模具底板的四周分别和第1模具侧板与第2模具侧板的一端活动连接；第1模具侧板的另一端与第2模具侧板的另一端分别设有配合连接的插孔，插孔中加入紧固螺栓，用氟素高效脱模剂喷洒均匀后将混合好的混合粉末和粘结剂装填于预制体塑料模具，利用设计的粉末压制装置压实。对装填预制体混合物的模具进行微波固化烧结7~10min后取出，沿预制体长度方向脱模后最终制成得到三维结构预制体。
实施例1
本实施例所述为WC预制体结构，WC预制体原料按重量分数计，包括50wt%的WC颗粒、25wt%的FeCr55C6.0颗粒以及25wt%的Ni60颗粒；WC颗粒的粒径为150-200μm；FeCr55C6.0颗粒的粒径为150-190μm；Ni60颗粒的粒径为60-90μm，基体材料为高铬铸铁。
本实施例所述WC预制体结构增强的制备方法，包括以下步骤：
（1）根据三维结构类型的选择，对预制体的三维结构等参数进行设定；选择三维结构类型为正方形，三维预制体结构壁厚为2.5mm、孔径为15mm，利用 3D 打印设备制备预制体塑料模具，最后将预制体塑料模具模块装好，拧紧螺丝后，用氟素高效脱模剂喷洒均匀。
（2）选取陶瓷颗粒合金粉末为WC、Ni60、和FeCr55C6.0，按照50%、25%、25%的比例置于球磨罐中进行真空球磨，混合均匀；混合均匀后以水玻璃作为粘结剂，将陶瓷颗粒与粘结剂按5%比例混合均匀得混合物。
（3）将（2）中混合好的混合粉末和粘结剂装填于预制体塑料模具，利用自行设计的粉末压制装置压实。
（4）将压实好的预制体混合物模具进行固化烧结9min后取出，沿预制体长度方向脱模后得到三维结构预制体。
本实施例中得到的WC/Fe基耐磨复合材料预制体，陶瓷颗粒铸造WC直径为150~200
,硬度为2080HV，预制体尺寸为20*20*20mm。
实施例2
本实施例所述WC预制体结构成分和实施例1相同，预制体壁厚不同；所述WC预制体结构的制备方法，包括以下步骤：
（1）根据三维结构类型的选择，对预制体的三维结构等参数进行设定。选择三维结构类型为正方形，三维预制体结构壁厚为5mm、孔径为15mm，利用 3D 打印设备制备预制体塑料模具，最后将预制体塑料模具模块装好，拧紧螺丝后，用氟素高效脱模剂喷洒均匀。
（2）选取陶瓷颗粒合金粉末为WC、Ni60、和FeCr55C6.0，按照50%、25%、25%的比例置于球磨罐中进行真空球磨，混合均匀；混合均匀后以水玻璃作为粘结剂，将陶瓷颗粒与粘结剂按5%比例混合均匀得混合物。
（3）将（2）中混合好的混合粉末和粘结剂装填于预制体塑料模具，利用自行设计的粉末压制装置压实。
（4）将压实好的预制体混合物模具进行固化烧结8min后取出，沿预制体长度方向脱模后得到三维结构预制体。
本实施例中得到的WC/Fe基耐磨复合材料预制体，陶瓷颗粒铸造WC直径为150~200
,硬度为2080HV，预制体尺寸为25*25*20mm。
实施例3
本实施例所述WC预制体结构成分和实施例1相同，预制体壁厚不同；所述WC预制体结构的制备方法，包括以下步骤：
（1）根据三维结构类型的选择，对预制体的三维结构等参数进行设定。选择三维结构类型为正方形，三维预制体结构壁厚为7.5mm、孔径为15mm，利用 3D 打印设备制备预制体塑料模具，最后将预制体塑料模具模块装好，拧紧螺丝后，用氟素高效脱模剂喷洒均匀。
（2）选取陶瓷颗粒合金粉末为WC、Ni60、和FeCr55C6.0，按照50%、25%、25%的比例置于球磨罐中进行真空球磨，混合均匀；混合均匀后以水玻璃作为粘结剂，将陶瓷颗粒与粘结剂按5%比例混合均匀得混合物。
（3）将（2）中混合好的混合粉末和粘结剂装填于预制体塑料模具，利用自行设计的粉末压制装置压实。
（4）将压实好的预制体混合物模具进行固化烧结10min后取出，沿预制体长度方向脱模后得到三维结构预制体。
本实施例中得到的TiC/Fe基耐磨复合材料预制体，陶瓷颗粒铸造TiC直径为50~100
,硬度为2080HV，预制体尺寸为30*30*20mm。
实施例4
本实施例所述WC预制体结构成分和实施例1相同，预制体壁厚不同；所述WC预制体结构的制备方法，包括以下步骤：
（1）根据三维结构类型的选择，对预制体的三维结构等参数进行设定。三维结构类型为正四边形，三维预制体结构壁厚为10mm、孔径为15mm，利用 3D 打印设备制备预制体塑料模具，最后将预制体塑料模具模块装好，拧紧螺丝后，用氟素高效脱模剂喷洒均匀。
（2）选取陶瓷颗粒合金粉末为WC、Ni60、和FeCr55C6.0，按照50%、25%、25%的比例置于球磨罐中进行真空球磨，混合均匀；混合均匀后以水玻璃作为粘结剂，将陶瓷颗粒与粘结剂按5%比例混合均匀得混合物。
（3）将（2）中混合好的混合粉末和粘结剂装填于预制体塑料模具，利用自行设计的粉末压制装置压实。
（4）将压实好的预制体混合物模具进行固化烧结7min后取出，沿预制体长度方向脱模后得到三维结构预制体。
本实施例中得到的WC/Fe基耐磨复合材料预制体，陶瓷颗粒铸造WC直径为150~200
,硬度为2080HV，预制体尺寸为35*35*20mm。
将实施例1~4制备的WC预制体结构用于制备WC增强铁基复合材料（制备方法为将脱模后的预制体放置在事先做好的砂箱侧壁固定，随后盖好型腔，将金属液浇注在型腔中，使金属液与预制体充分发生反应，最终生成陶瓷颗粒增强金属基复合材料），进行硬度和耐磨性能测试，硬度测试结果如下表1所示，耐磨性能测试结果如表2所示。
表1为实施例1-4的硬度测试对比结果
通过对比实施实例1-4发现，使用本发明所述预制体，复合层硬度相较于基体提升了3.75-4.04倍，且随着预制体壁厚的增加，复合层硬度呈先升高后降低的趋势。
表2为实施例1-4的磨损测试对比结果
由表2可以看出，随着三维预制体壁厚壁厚的逐渐增加，复合材料的磨损失重量呈先降低又增加的趋势；且壁厚在2.5mm时具有最大的磨损失重量为0.3183g，平均磨损量0.2677g,在壁厚7.5mm时磨损失重量最小，平均磨损量0.2677g，说明其耐磨性最好。
综上所述，本发明所述方法制备得到的预制体在制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料时，可以有效提高复合材料的强度和磨损性能。
Claims (6)
1.一种金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）根据三维结构类型的选择，对预制体的三维结构参数进行设定，利用3D打印设备制备预制体模具，最后将预制体模具模块装好，固定后，用氟素高效脱模剂喷洒均匀；
（2）选取陶瓷颗粒和合金粉末，按比例置于真空球磨罐中进行真空球磨，混合均匀后以水玻璃作为粘结剂，将陶瓷颗粒与粘结剂混合均匀得混合物，其中，粘结剂的加入量是陶瓷颗粒质量的4%-6%；
（3）将混合好的混合粉末和粘结剂装填于步骤（1）打印组合好的预制体模具中，利用粉末压制装置压实；
（4）将压实好的预制体混合物模具进行固化烧结7~10min后取出，沿预制体长度方向脱模后得到三维结构预制体，所述三维结构预制体中间设有孔洞，壁厚为2.5~7.5mm。
2.根据权利要求1所述金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，其特征在于：预制体原料按重量分数计，包括50wt%的WC颗粒、25wt%的FeCr55C6.0颗粒以及25wt%的Ni60颗粒；WC颗粒的粒径为150-200μm；FeCr55C6.0颗粒的粒径为150-190μm；Ni60颗粒的粒径为60-90μm，基体材料为高铬铸铁。
3.根据权利要求1所述金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，其特征在于：预制体的形状为三角形、正方形、正六边形中的一种或几种，中间设有孔洞。
4.根据权利要求1所述金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，其特征在于：所述预制体模具包括树脂底板（1）、第1模具侧板（2）、第2模具侧板（4）、紧固螺栓（4）；所述模具底板（1）为矩形板；模具底板的四周分别和第1模具侧板（2）与第2模具侧板（3）的一端活动连接；第1模具侧板（2）的另一端与第2模具侧板（3）的另一端分别设有配合连接的插孔，插孔中加入紧固螺栓（4），达到模具的固定作用。
5.根据权利要求1所述金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，其特征在于：预制体模具材料为光敏树脂或进口尼龙；预制体脱模材料为氟素高效脱模剂。
6.根据权利要求1所述金属基耐磨复合材料预制体的成型方法，其特征在于：步骤（3）中预制体压制工艺为：加压至15MPa，保持5-10min；再升压至20MPa，保持5-10min。
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