一種原位混雜顆粒增強鐵基複合材料及其製備方法與流程
2023-06-02 00:01:01 2
本發明涉及的是一種複合材料技術領域的鐵基材料，具體涉及一種原位混雜顆粒增強鐵基複合材料及其製備方法。
背景技術：
鋼鐵材料時最常用的金屬材料，具有優良的機械性能，還可以添加各種合金元素(如鎳、銅、鉻、錳、鎢、鉬等)來提高其性能，並且可以很方便地通過熱處理來改變其組織和改善機械性能，以便適應不同工況條件的要求。近年來重點研究領域之一是向鋼鐵材料中添加各種耐磨顆粒，以提高其比強度、比剛度和耐磨性。
al2o3具有高硬度、高耐磨性、良好的化學穩定性，即使在高溫工況條件下，依然能保持良好的性能，al2o3顆粒增強鐵基複合材料比較充分地利用了鋼鐵材料和al2o3材料的特點，綜合性能優良。
但鋼鐵材料與al2o3顆粒材料的密度差較大，界面潤溼性較差，一般需要採取粉末冶金方法或其他特殊工藝措施，才能克服兩者密度差大和潤溼性差大的問題，影響了鐵基複合材料的性能。同時採用外加顆粒的製備工藝複雜，成本較高，不利於推廣應用，且本公司在研製al2o3顆粒增強鐵基複合材料時發現，al2o3顆粒的含量在體系中所佔比例過大時，生成的材料表面出現白色顆粒，表明al2o3顆粒含量過高則無法與鐵基良好的結合，影響材料的均一性，且al2o3顆粒的鐵基材料的性能需要進一步提高。
本發明成在al2o3顆粒增強鐵基材料中加入tic、mgf2顆粒來改善al2o3顆粒鐵基材料的性能，提高了al2o3顆粒增強鐵基複合材料的強度、耐磨性、韌性。該鐵基複合材料剛度好、耐磨性高、價格低，可應用於飛機、車輛等行業製造摩擦材料和制動材料。
技術實現要素：
發明目的：提供一種原位混雜顆粒增強鐵基複合材料，無需採用特殊製備方法，可製備強度、耐磨性、韌性良好的鐵基複合材料。
技術方案：本發明製備了一種原位混雜顆粒增強鐵基複合材料，由以下質量百分數的組分組成：8-10％al2o3、2-4％tic、1-2％c、0.2-0.5％mgf2、0.04-0.05％cu、0.01-0.02％ni，餘量為fe。
優選地，原位混雜顆粒增強鐵基複合材料，所述複合材料的組分為9％al2o3、3％tic、1％c、0.4％mgf2、0.05％cu、0.01％ni，餘量為fe。
原位混雜顆粒增強鐵基複合材料的製備方法，包含以下步驟：(1)將無水氯化鋁溶液和鋁微粉按照摩爾比5-9:1混合，在200℃條件下加熱2-3h，反應完全後，過濾得到氯化鋁母液；(2)將氯化鋁母液分散於0.5mol/l乙醇溶液中緩慢加入氨水溶液，得到白色沉澱，將得到的白色沉澱過濾、洗滌、烘乾，得氫氧化鋁與鋁微粉的混合物；
(3)將步驟(2)中製備的氫氧化鋁與鋁微粉混合物與mgf2、ti粉、c粉、cu粉、ni粉、fe粉按照一定比例進行配比，混合，壓製成型，高溫燒結，最終得到8-10％al2o3、2-4％tic、1-2％c、0.2-0.5％mgf2、0.04-0.05％cu、0.01-0.02％ni，餘量為fe組成的鐵基複合材料。
進一步地，原位混雜顆粒增強鐵基複合材料的製備方法，其特徵在於步驟(1)中無水氯化鋁與鋁微粉的摩爾比為6:1。
步驟(1)中將無水氯化鋁與鋁微粉按照5-9:1混合反應後，可以控制氫氧化鋁與鋁微粉混合後的粒徑，顆粒粒徑大小均勻，粒徑小於50nm，當無水氯化鋁與鋁微粉摩爾比為6:1，得到的氫氧化鋁與鋁微粉晶粒小於10nm。控制氫氧化鋁與鋁微粉的粒徑可解決原位生成al2o3顆粒粒徑大小難以控制，最終生成的複合材料的耐磨性、韌性無法控制、材料表面不平整的缺點。
本發明所述的原位混雜顆粒增強鐵基複合材料的製備方法，高溫燒結的過程如下：燒結溫度為300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，高溫燒結升溫速度為20℃/min。
氫氧化鋁與鋁微粉在高溫燒結階段，鋁微粉在溫度為300-750℃作為還原劑，還原因氫氧化鋁脫水氧化的fe粉，c粉在溫度為750℃-900℃階段，還原已被氧化的fe粉，使得fe粉的被氧化為feo能夠穩定存在。
加入mgf2除了可以增加複合材料的韌性，還可以使得原位生成tic更加的均勻。
微量cu與微量ni有利於tic顆粒的形成。
在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h有均溫和防止升溫過快的作用，防止複合材料生成過程中顆粒原位反應不充分。
除非另有說明，本說明書中的「％」均為「質量百分比」。
發明原理：
(1)本發明利用原位生成al2o3顆粒、tic顆粒方法製備顆粒增強鐵基複合材料。
(2)加入鋁微粉與c粉在不同溫度階段維持因氫氧化鋁脫水氧化的fe粉以feo形式存在，與氫氧化鋁脫水形成的al2o3顆粒結合生成鐵鋁尖晶石(feal2o4)。
(3)mgf2晶體加入複合材料，使得原位生成tic顆粒更加均一。
有益效果：
(1)本發明製備的原位混雜顆粒增強鐵基複合材料，解決了al2o3顆粒與鐵基材料密度差大，界面潤溼性差，傳統的鑄造方法難以將兩者結合的問題。
(2)利用無水氯化鋁溶液和鋁微粉混合物製備氫氧化鋁與鋁微粉混合物，該混合物粒徑小於50nm，解決了al2o3顆粒原位生成過程中粒徑不可控的缺點。鋁微粉可在高溫燒結溫度為300-750℃過程中，還原被氧化的fe粉，加入c粉，在高溫燒結溫度為750℃-900℃過程中，還原被氧化的fe粉，使得鐵鋁尖晶石能穩定的形成，晶粒內部分布均勻，增加了複合材料的硬度和耐磨性。
(3)加入mgf2顆粒增加了複合材料的韌性，同時mgf2晶體本身使得ti粉與c粉在原位反應過程中，生成的tic顆粒反應可控，不被界面排斥，提高了鐵基複合材料耐磨性、耐高溫、韌性。
具體實施方式
一、原料和儀器設備
1、原料
ti粉(300目，購自清河縣艾盾噴塗焊材有限公司)、fe粉(100目)、c粉(約1μm，購自青島海碩石墨有限公司)、自製的氫氧化鋁與鋁微粉混合物、mgf2(600目，購自濟南英出化工科技有限公司)、cu(200-300目，購自南宮市原合金材料有限公司)、ni粉(300目，購自成都華寅粉體科技有限公司)，本發明所用的其他原料均為市售所得。
2、儀器設備
成型設備：yh-10型混料機、100噸壓力機、1650度管式保護氣氛實驗電爐、精密電子天平。
檢測設備：hr-150a型洛氏硬度計、ml-10型磨料磨損試驗機。
二、性能測試方法
1、硬度測定
參照gb/t203.1-2009方法。
2、耐磨性測試
試樣尺寸：4mm×4mm×5mm，磨損面為4mm×4mm。試驗所用砂紙為600目氧化鋁耐水砂紙，壓力為90n，用分析天平測量質量，精度為0.1mg。先將試樣進行跑合磨損300r，稱量其質量，然後正式磨損1500r，再稱一次質量，兩次質量之差為磨損失重，試樣的相對耐磨性ε為基準試樣的磨損量(mg)與該試樣磨損量(mg)的比值，ε＝基準試樣的磨損量/試樣磨損量。
三、製備實施例
實施例1：
將無水氯化鋁溶液和鋁微粉按照摩爾比5:1混合，在200℃條件下加熱2-3h，反應完全後，過濾得到氯化鋁母液，將氯化鋁母液分散於0.5mol/l乙醇溶液中緩慢加入氨水溶液，得到白色沉澱，將得到的白色沉澱過濾、洗滌、烘乾，得自製的氫氧化鋁與鋁微粉的混合物，將自製的氫氧化鋁和鋁微粉混合物，按一定比例加入到fe粉中，並加ti粉、c粉、mgf2、cu、ni，充分混合後壓塊、高溫燒結成型，高溫燒結的過程如下：燒結溫度為300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，燒結溫度控制升溫速度20℃/min，得到由8％al2o3、2％tic、1％c、0.2％mgf2、0.04％cu、0.01％ni，餘量為fe組成的複合材料。
實施例2：
無水氯化鋁溶液和鋁微粉摩爾比為6:1，複合材料由9％al2o3、3％tic、1％c、0.4％mgf2、0.05％cu、0.02％ni，餘量為fe組成，其餘同實施例1。
實施例3：
無水氯化鋁溶液和鋁微粉摩爾比為6:1，複合材料由10％al2o3、4％tic、1％c、0.3％mgf2、0.04％cu、0.01％ni，餘量為fe組成，其餘同實施例1。
實施例4：
無水氯化鋁溶液和鋁微粉摩爾比為7:1，複合材料由10％al2o3、4％tic、2％c、0.5％mgf2、0.05％cu、0.02％ni，餘量為fe組成，其餘同實施例1。
實施例5：
無水氯化鋁溶液和鋁微粉摩爾比為8:1，複合材料由8％al2o3、4％tic、2％c、0.5％mgf2、0.05％cu、0.02％ni，餘量為fe組成，其餘同實施例1。
實施例6：
將無水氯化鋁溶液和鋁微粉摩爾比為9:1，複合材料由10％al2o3、2％tic、1％c、0.3％mgf2、0.04％cu、0.01％ni，餘量為fe組成，其餘同實施例1。
實施例7：
將無水氯化鋁溶液和鋁微粉摩爾比為8:1，複合材料由9％al2o3、3％tic、2％c、0.2％mgf2、0.05％cu、0.01％ni，餘量為fe組成，其餘同實施例1。
對比例1：
c粉，fe粉充分混合後壓塊、高溫燒結成型，高溫燒結的過程如下：燒結溫度為300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，燒結溫度控制升溫速度20℃/min，得到由2％c和fe組成的複合材料。
對比例2：將無水氯化鋁溶液，在200℃條件下加熱2-3h，反應完全後，過濾得到氯化鋁母液，將氯化鋁母液分散於0.5mol/l乙醇溶液中緩慢加入氨水溶液，得到白色沉澱，將白色沉澱過濾、洗滌、烘乾，得自製的氫氧化鋁，將自製的氫氧化鋁晶體，與c粉、fe粉混合，得到由9％al2o3、2％c和fe組成的複合材料，其餘同對比例1。
對比例3：
通過無水氯化鋁溶液與鋁微粉混合物摩爾比為7:1，在200℃條件下加熱2-3h，反應完全後，過濾得到氯化鋁母液，將氯化鋁母液分散於0.5mol/l乙醇溶液中緩慢加入氨水溶液，得到白色沉澱，將得到的白色沉澱過濾、洗滌、烘乾，得自製的氫氧化鋁與鋁微粉的混合物，將自製的氫氧化鋁與鋁微粉混合物，與c粉、fe粉混合，壓塊、高溫燒結成型，高溫燒結的過程如下：燒結溫度為300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，燒結溫度控制升溫速度20℃/min，得到由10％al2o3、2％c和fe組成的複合材料。
對比例4：
無水氯化鋁溶液和鋁微粉混合物摩爾比為8:1，得自製的氫氧化鋁與鋁微粉混合物，與ti粉、fe粉、c粉混合，得到由9％al2o3、3％tic、2％c和fe組成的複合材料，其餘同對比例3。
對比例5：
ti粉、fe粉與c粉混合，得到由3％tic、2％c和fe組成的複合材料，其餘同對比例1。
對比例6：
ti粉、fe粉、c粉、mgf2、cu、ni混合，得到由3％tic、2％c、0.2％mgf2、0.05％cu、0.01％ni和fe組成的複合材料，其餘同對比例1。
對比例7：
將無水氯化鋁溶液和鋁微粉混合物摩爾比為8:1，得自製的氫氧化鋁與鋁微粉混合物，與ti粉、fe粉、c粉、mgf2混合，得到由9％al2o3、3％tic、2％c、0.2％mgf2和fe組成的複合材料，其餘同對比例3。
四、性能測定
由表1結果可以看出，通過無水氯化鋁溶液和鋁微粉混合物的製備，控制al2o3顆粒粒徑大小在50nm以下，得到的複合材料硬度增強效果越好，因為細晶粒金屬比粗晶粒金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性，同時鋁微粉和c粉在不同階段提供了還原氣氛，形成的鐵鋁尖晶石更穩定。通過加入tic顆粒，可以改善單獨al2o3顆粒對鐵基複合材料的性能改善較為單一的缺陷，從對比實施例6結果可以看出，單獨的tic顆粒製備的鐵基複合材料耐磨性較差。引入mgf2顆粒，不僅因mgf2顆粒作為彌散顆粒增加了複合材料的韌性，且mgf2顆粒具有控制tic原位反應的速度和tic顆粒的大小，使得複合材料更加均一，性能更加優異。通過實施例7和對比例7可以看出，微量cu粉與ni粉的加入，可以使得tic原位生成中反應更加均一，材料的硬度和相對耐磨性更好。
表1不同實施例測定結果