CN1212414C - 局部原位内生颗粒增强钢基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

局部原位内生颗粒增强钢基复合材料制备方法，涉及金属基复合材料的制备工艺，特别是涉及钢基复合材料及局部复合耐磨材料的制备工艺。其工艺过程包括：制备反应预制块：预制块由粉末状的1%～50%Al、C和Ti组成，C与Ti的原子比0.6～1.4，粒度范围为0.1μm～200μm；将上述配制好的原材料装入搅拌机中搅拌4～48小时，混合均匀；然后放入模具中，在室温下以200～800MPa的压力范围压制成型；将压制好的预制块放入真空加热装置内进行真空处理。型内自蔓延原位合成反应：型内自蔓延原位合成颗粒增强相：在铸件需增强的部位放置已真空出气处理的Al-Ti-C预制块；铸型含水量＜4%，透气性＞100；浇铸温度在1450℃以上的基体钢液。

Description

局部原位内生颗粒增强钢基复合材料的制备方法

技术领域：本发明涉及金属基复合材料的制备工艺，特别是涉及钢基复合材料及局部复合耐磨材料的制备工艺。

背景技术：金属基复合材料由于具有高强度，高比模量、耐磨、耐热、耐疲劳性能好等多种优良的综合性能，目前已经成为世人所关注的一个前沿学科热点。迄今为止，钢铁基复合材料的增强方式主要有外加颗粒和内生颗粒，外加颗粒工艺复杂，价格昂贵，且外加颗粒与基体润湿性、物理和化学相容性都比较差，会导致产生界面污染与接合不良，形成界面反应层及分部不均匀、易于偏集于晶界等一系列难以克服的问题，因而增强效果不理想。内生颗粒基本都是整体复合，基体钢的冲击韧性大大降低，从而限制了钢铁基复合材料推广和应用。

制备原位内生颗粒增强金属基复合材料的常见方法主要有XD法、接触反应法。XD法(美国专利，U.S.Patent No.4710348)可看作两个阶段：第一阶段反应生成增强颗粒，第二阶段将增强颗粒分散到金属溶液中去，主要工序为：制粉-混合-成型-除气-烧结-熔炼-浇铸。该方法技巧性较强，难度高，不易掌握，主要用来制造颗粒增强的Al基、Ti基等复合材料。接触反应法(中国专利，专利号：93104814)的主要工序为：制粉-混合-成型-加入合金液熔炼-浇铸。接触反应法使得颗粒增强相在熔炼合金液时反应生成，简化了工艺。该方法操作时有较高的技巧性，实际生产时工艺难于掌握，且只能制备整体增强复合材料。接触反应法主要用来制造Al基、Zn基复合材料。

XD法、接触反应法都未曾用于制备原位内生颗粒增强钢铁基复合材料，且都为整体复合工艺，而本工艺——型内自蔓延高温合成法突出了局部复合和原位内生颗粒增强优点。目前，尚未见到型内自蔓延高温合成法制备局部原位内生颗粒增强钢铁基复合材料的报道。

技术内容：本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉、易于推广使用的局部原位内生颗粒增强钢基复合材料的制备方法。该方法与整体复合法有本质的区别，它不是在浇注之前就已形成颗粒增强相，而是基体钢液浇入铸型后，在铸型局部发生自蔓延高温合成反应生成增强颗粒，并均匀地分布于基体中，凝固后就可制得局部原位内生颗粒增强钢基复合材料。由于该高温自蔓延原位反应是在型内发生，成功地解决了整体复合法中由于形成增强相的合金元素高含量的加入导致钢液流动性差的问题，使工艺的稳定性、可靠性大大提高，进一步提高了生产效率。另一方面省去了整体复合所需的大量贵重合金，从而使低成本、规模化商业生产局部增强钢基复合材料成为可能。该发明的另一个重要目的是保持基体钢原有的性能优点的基础上，改善了单一基体钢种的综合性能不足，真正做到材料强韧的有效结合，体现出好钢用在刀刃上的设计思想。

该发明的技术方案是：经过真空除气后的反应预制块在铸型内部发生自蔓延高温合成颗粒增强相反应，从而制备出局部原位内生颗粒增强钢基复合材料的方法，其特征在于工艺过程包括反应预制块的制备和型内自蔓延原位合成反应两个阶段。

1)预制块的制备包括以下步骤：

a.预制块组成：预制块由粉末状的Al、C和Ti组成，Al含量(wt％)1％～50％，C与Ti的原子比为：0.6～1.4，其粒度范围是0.01μm～200μm；

b.混料：将上述配制好的原材料装入搅拌机中，搅拌4～48小时，混合均匀；

c.压制成型：把混合均匀的原材料放入模具中，在室温下压制成型，压力范围是200～800Mpa；

d.预制块的真空除气处理：将压制好的预制块放入真空加热装置内，真空度≥10-1MPa，以5～40℃/min的加热速率进行加热至100～400℃，除气1～4h；

2)内自蔓延原位合成颗粒增强相：

a.铸型要求：钢液浇铸所采用的铸型含水量＜4％，透气性＞100；

b.基体钢液要求：为预制块发生自蔓延高温合成颗粒增强相提供热量的钢液温度在1450℃以上；

c.预制块在铸型内的放置：在铸件需增强的部位放置已真空除气处理的Al-Ti-C预制块；

d.浇铸基体钢液制得局部颗粒增强钢基复合材料。

将高温钢液浇注到铸型，引发型内预制块的原位自蔓延高温合成颗粒增强相，制备出局部增强钢基复合材料。

本发明与目前已有的技术相比具有以下突出优点：

1)工艺简单，成本低廉，易于推广应用，进行规模化商业生产。本发明的特征在于成功地制备出局部原位颗粒增强钢基复合材料，其方法不同于整体复合法，充分利用高温钢液的热量引发自蔓延合成反应，将生成颗粒增强相的过程与钢液的熔炼分开，而与浇铸成型合并到一起，并且在型内发生局部自蔓延高温合成反应，因而大大减少了形成颗粒增强相所需的大量贵重合金元素，降低了成本；成功地解决了整体复合法制得钢基复合材料冲击韧性差的问题，使工艺稳定性、可靠性大大提高。

2)本发明中的复合部位中的颗粒增强相是在钢溶液内原位内生的，润湿性好，界面结合良好，分布弥散且分布于晶内，且起到了细化晶粒的效果，同时复合部位与原始钢结合也良好，而外加颗粒所产生的润湿性差、易污染、界面结合不好、颗粒偏聚，易分布在晶界等缺陷。因此，本发明是制备颗粒整体或局部增强钢基复合材料的一个突破性进展。为颗粒整体或局部增强开辟了一条新路，对颗粒增强复合材料的发展与更新起到了推动作用；同时本发明能够满足各种工况下的使用要求，并能浇铸成型复杂铸件显著提高了铸件质量。现有技术的工艺方法制备的颗粒增强钢铁基复合材料，颗粒增强相都是在钢液熔炼过程中形成，大大影响了钢液的流动性，且易产生大量的夹杂及浇不足等缺陷。而本发明的颗粒增强相是在钢液熔炼后在铸型内自蔓延原位内生而成，不影响钢液的流动性，提高了铸件的质量，能从根本上解决这些问题。从而解决了长期困扰颗粒增强金属基复合材料科技工作的关键问题。

3)本发明的方法制取得增强颗粒尺寸在0.5μm～5μm之间，一般在2μm左右，颗粒细小、圆整，为近球形，表面干净，分布均匀，且分布于晶内，明显提高了颗粒的强化效果。

4)本发明的制备方法制得局部自蔓延原位内生颗粒增强钢基复合材料，增强颗粒是在铸型的局部由高温基体钢液引发自蔓延反应而原位内生，润湿性好，在铸件局部需增强的范围内均匀分布，增强效果显著，在不影响基体钢的固有优点的同时，大大提高了复合材料的力学性能和耐磨性，具有很好的应用前景和市场潜力。以锰钢为基体，制备的局部原位颗粒增强锰钢的宏观硬度(HRC)、显微硬度(HV)和耐磨性得到了很大的提高，其耐磨性为基体锰钢的2.1倍，见表1。

            表1基体锰钢与复合材料的性能比较

材料         显微硬度(HV)       宏观硬度(HRC)      耐磨性(ε)

基体锰钢        368                ＜15                1

复合材料        820                34                  2.1

注：耐磨性测试在载荷为15N、磨粒尺寸为25μm磨损工况下进行。

该方法是易于推广使用的局部原位内生颗粒增强钢基复合材料的制备方法与XD法和接触反应法有着本质的区别，即颗粒增强相既不是在熔炼之前形成，也不是在熔炼过程中反应生成，而是通过高温钢液的热量引发铸型内Al-C-Ti预制块的自蔓延高温合成反应生成颗粒增强相。本发明成功地解决了整体复合法存在的颗粒增强相含量低、增强效果不明显和由于大量合金元素的加入导致钢液流动性差及整体复合导致不需复合的部位韧性差而不能使用与浪费贵重和近资源与颗粒等问题，使工艺的稳定性、可靠性大大提高，进一步提高了生产效率。从而使低成本、规模化商业生产局部原位颗粒增强钢基复合材料成为可能。该发明的另一个目的是获得不同部位同时具有高硬度、抗磨损与高冲击韧性的结构材料，从而解决了单一复合材料硬度和韧性的矛盾。

附图说明：

图1(a)TiC(30vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料组织

(b)TiC(30vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料TiC的能谱

图2(a)TiC(40vol％)颗粒局部增强45#钢复合材料组织

(b)TiC(40vol％)颗粒局部增强45#钢复合材料TiC的能谱

图3(a)TiC(50vol％)颗粒局部增强45#钢复合材料组织

(b)图(a)C元素面扫描

(c)图(a)Al元素面扫描

(d)图(a)Ti元素面扫描

(e)图(a)Fe元素面扫描

图4(a)TiC(70vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料组织

(b)TiC(30vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料的能谱

图5(a)TiC(35vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料组织

(b)TiC(35vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料TiC的能谱

具体实施方式：

实施例1

制取TiC(30vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料

取Al粉(74μm，99.9％)、Ti粉(29μm，99.5％)、C粉(50μm，99.6％)，基体为锰钢。将以上三种粉末按C∶Ti＝1∶1(atom)，Al含量5wt％的比例，混合均匀，然后在10吨压力机上压制成φ20×10的圆柱型反应预制块，将反应预制块放置在真空加热装置中进行真空除气处理，把真空除气的预制块放置到铸型中铸件需增强的部位，熔炼锰钢，将其浇入铸型使预制块，发生自蔓延反应，凝固后制得TiC颗粒局部增强锰钢复合材料。其宏观硬度(HRC)≥35；显微硬度(HV)≥800。

实施例2

制取TiC(70vol％)颗粒局部增强45#钢复合材料

取Al粉(74μm，99.9％)、Ti粉(29μm，99.5％)、C粉(50μm，99.6％)，基体45#钢。将以上三种粉末按C∶Ti＝1∶1(atom)，Al含量5wt％的配比，混合均匀，在10吨压力机上压制成φ20×10的圆柱型反应预制块，将反应预制块放置在真空加热装置中进行真空除气处理，将其放置到铸型中铸件需增强的部位，熔炼45#钢，将其浇入铸型中，使预制块发生自蔓延反应从而制得TiC颗粒局部增强45#钢复合材料。其宏观硬度(HRC)≥40；显微硬度(HV)≥1200。

实施例3

制取TiC(40vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料

取Al粉(29μm，99.6％)、Ti粉(44μm，99.5％)、C粉(50μm，99.6％)，基体锰钢。将以上三种粉末按C∶Ti＝1∶1(atom)，Al含量40wt％的比例，混合均匀，然后在10吨压力机上压制成φ20×10的圆柱型反应预制块，将反应预制块放置在真空加热装置中进行真空除气处理放置到铸型中铸件需增强的部位，熔炼45#钢，，将其浇入铸型中，使预制块发生自蔓延反应，使预制块充分反应，从而制得TiC(40vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料。

实施例4

制取TiC(60vol％)颗粒局部增强锰钢复合材料

取Al粉(44μm，99.6％)、Ti粉(25μm，99.5％)、C粉(25μm，99.6％)，基体镁合金为锰钢。将以上三种粉末按C∶Ti＝1∶1(atom)，Al含量15wt％的配比，混合均匀，在10吨压力机上压制成φ20×10的圆柱型反应预制块，将反应预制块放置在真空加热装置中，除气2h，将反应预制块取出，将其放置到铸型中铸件需增强的部位，熔炼45#钢，将其浇入铸型中，使预制块发生自蔓延反应，从而制得TiC(30wt％)颗粒局部增强锰钢复合材料。其其宏观硬度(HRC)≥38；显为硬度(HV)≥900。与基体锰钢相比，耐磨性ε≥2.0。

Claims (1)

1.局部原位内生颗粒增强钢基复合材料制备方法，其特征在于工艺过程包括制备反应预制块和型内自蔓延原位合成反应两个阶段：

1)预制块的制备包括以下步骤：

a.预制块组成：预制块由粉末状的Al、C和Ti组成，Al含量(wt％)1％～50％，C与Ti的原子比为：0.6～1.4，其粒度范围是0.1μm～200μm；

b.混料：将上述配制好的原材料装入搅拌机中，搅拌4～48小时，混合均匀；

c.压制成型：把混合均匀的原材料放入模具中，在室温下压制成型，压力范围是200～800Mpa；

d.预制块的真空除气处理：将压制好的预制块放入真空加热装置内，真空度≥10^-1MPa，以5～40℃/min的加热速率加热至100～400℃，除气1～4h；

2)型内自蔓延原位合成颗粒增强相：

a.铸型要求：钢液浇铸所采用的铸型含水量＜4％，透气性＞100；

b.基体钢液要求：为预制块发生自蔓延高温合成反应，生成颗粒增强相提供足够热量，钢液温度保证在1450℃以上；

c.预制块在铸型内的放置：在铸件需增强的部位放置已真空除气处理的Al-Ti-C预制块；

d.浇铸基体钢液制备局部颗粒增强钢基复合材料。

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