不同比例TiC/TiB₂雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料的製備方法

2023-12-05 03:51:36

專利名稱：：不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料的製備方法
技術領域：
：本發明涉及金屬基複合材料領域，特別涉及一種不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料的製備方法。技術背景奧氏體錳鋼是一種抗強衝擊載荷磨粒磨損工況條件下經常用的耐磨材料，其特點是韌性好但原始硬度低，因此，陶瓷顆粒的加入有利於其硬度的增加和耐磨性的提高。陶瓷顆粒的加入有外加和內生兩種方式，其中原位內生陶瓷顆粒增強金屬基複合材料具有原位增強體與基體的界面乾淨，潤溼性好，結合強度高，增強體尺寸小，形狀較圓整等諸多優點，從而備受關注。然而，內生顆粒增強金屬基複合材料一般均為整體增強，但很多場合下，並不要求材料整體都進行顆粒增強。因此一種新的顆粒局部增強鋼基複合材料的製備解決了以下難題(1)隨著增強顆粒體積分數的提高，金屬液流動性下降，不利於澆注形狀複雜的鑄件，並且基體的韌性也隨之下降；(2)不需要顆粒增強的部位也進行了強化，浪費了大量昂貴的增強體。關於顆粒局部增強金屬基複合材料增強體的選擇，人們進行了大量的研究。在眾多的增強顆粒中，TiC和TiB2由於硬度高、耐磨性好得到廣泛的應用。在中國發明專利(專利號:ZL02109101.3)中，已成功利用Al-Ti-C體系製得了TiC顆粒局部增強錳鋼複合材料。然而TiC高溫時具有較大的熱膨脹係數，並且冷卻過程中容易造成應力，嚴重影響性能，同時，該反應體系放熱量大，Al容易氣化，易形成氣孔。而TiB2的熱膨脹係數較小，但其合成放熱量較大，在製備過程中容易形成氣孔。因此，本發明綜合兩種陶瓷的優缺點，通過以Ni代Al，採用Ni-Ti-C-B4C體系製備出了不同比例TiC/TiB2顆粒局部增強無氣孔的錳鋼複合材料，以滿足不同工況下的需求。技術內容本發明的目的是以滿足不同工況下的需求，在現有TiC顆粒局部增強錳鋼複合材料的基礎上，提供一種用於製備不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料的製備方法。本發明的技術方案是將Ni-Ti-B4C-C體系的反應物，Ni、Ti、C和B4C粉末按比例配製好，裝入低速球磨機內混合均勻，然後壓製成預製塊；隨後將鋼液澆注到放置有經過預處理後的反應預製塊的砂型內，其熱量引發預製塊的原位自蔓延反應，從而製備出不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料。具體包括不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料的製備方法，包括以下步驟(1)混料原始粉料配製應滿足如下要求Ni質量百分比25，其餘為Ti、C和B4C，其摩爾比分別為Ti:C:B4C=4:1:1和6:3:1，分別對應著產物中TiC和TiB2摩爾比為l:l和2:1，粉末粒度為3.545微米；將上述配製好的Ni、Ti、C和B4C粉末裝入低速球磨機內混合攪拌，球磨8-10小時，以保證混合均勻；(2)壓製成型把混合均勻的粉料放入模具中，在室溫下壓製成預製塊，其緊實率為75±5%;(3)預製塊的預處理將預製塊放入低真空加熱裝置內，以15-20。C/分的加熱速率加熱至250-30(TC，除氣2-3小時；(4)陶瓷顆粒增強體生成在鑄件需要增強的部位放置已預處理過的預製塊，錳鋼鋼液溫度在1450'C以上，利用鋼液的高溫引燃預製塊自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預製塊中，從而製備出不同比例TiC/TiB2顆粒局部增強錳鋼複合材料。本發明與目前已有的技術相比具有以下突出優點1.可以製備出具有不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部區域增強的形狀複雜的錳鋼複合材料零件。較好地解決了在一個零件中同時要求多種性能優化組合的材料設計關鍵難題，即在易磨損、易高溫軟化、易疲勞失效等部位為高體積分數的陶瓷顆粒，而非失效部位的錳鋼基體具有高的強韌性，承受著各種交變載荷對零件的衝擊，使零件高壽命地服役。2.局部增強部位的顆粒體積分數可在較大範圍內可調。解決了顆粒體積分數超過10%金屬液流動性顯著下降，難以澆注成型形狀複雜的鑄件的難題。可直接鑄造出大尺寸的、形狀複雜的、局部高顆粒體積分數增強的錳鋼複合材料的鑄件。3.工藝簡化，省去了顆粒增強部位與基體的連接工序。4.成本降低，解決了顆粒整體增強時顆粒的浪費問題。5.與單相顆粒局部增強鋼基複合材料相比，不同比例TiC/TiB2顆粒局部增強錳鋼複合材料解決了以下難題通過以Ni代Al，採用Ni-Ti-C-B4C體系製備出了不同比例TiC/TiB2顆粒局部增強無氣孔的錳鋼複合材料。此外TiC和TiB2雙相顆粒均與基體潤溼性好，顆粒局部增強區的緻密度高，並且性能也有顯著的提高。圖la預製塊在鑄型內放置的示意圖；圖lb是圖la的A-A剖面圖；圖2TiC和TiB2摩爾為1:1的顆粒局部增強耐磨錳鋼複合材料增強區的微觀組織；圖3TiC和TiB2摩爾為1:1的顆粒局部增強耐磨錳鋼複合材料增強區的X射線衍射分析；圖4TiC和TiB2摩爾為2:1的顆粒局部增強耐磨錳鋼複合材料增強區的微觀組織；圖5TiC和TiB2摩爾為2:1的顆粒局部增強耐磨錳鋼複合材料增強區的X射線衍射分析；圖中A-澆口(向鑄型澆入鋼液的澆口)B-上箱C-下箱D-預製塊E-增強區(例如挖掘機鏟齒的齒褲部分)F-錳鋼基體(例如挖掘機鏟齒的齒褲部分)具體實施方式實施例1TiC和TiB2摩爾為1:1的雙相顆粒混雜局部增強耐磨錳鋼複合材料的製備將Ni粉(小於45微米)、Ti粉(小於25微米)、C粉(小於45微米)和B4C粉(小於3.5微米)按Ti:B4C:C=4:1:1(摩爾比)，Ni質量百分含量為25比例的混合料，在低速球磨機中均勻混合8小時，然後壓製成預製塊，其緊實率為75±5%。將反應預製塊放置在低真空加熱裝置中，以15'C/分的加熱速率加熱到30(TC保溫2小時，進行除氣，把除氣後的預製塊放置到鑄型中鑄件需要增強的部位。基體為錳鋼(合金成分中的C和Mn質量百分含量分別為0.9和9.5)，將145(TC以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預製塊發生自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預製塊中，凝固後得到設計比TiC:TiB2摩爾比為l:1的雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料。增強區的微觀組織和XRD分析如圖2和圖3所示。與基體相比，TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強區的性能有了顯著的提高，見表l。表1錳鋼基體與不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強區的性能比較tableseeoriginaldocumentpage5實施例2TiC和TiB2摩爾為2:1的雙相顆粒混雜局部增強耐磨錳鋼複合材料的製備將Ni粉(小於45微米)、Ti粉(小於25微米)、C粉(小於45微米)和B4C粉(小於3.5微米)按Ti:B4C:C=6:1:3(摩爾比)，Ni質量百分含量為25比例的混合料，在低速球磨機中均勻混合8小時，然後壓製成預製塊，其緊實率為75±5%。將反應預製塊放置在低真空加熱裝置中，以15'C/分的加熱速率加熱到30(TC保溫2小時，進行除氣，把除氣後的預製塊放置到鑄型中鑄件需要增強的部位。基體為錳鋼(合金成分中的C和Mn質量百分含量分別為0.9和9.5)，將145CTC以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預製塊發生自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預製塊中，凝固後得到設計比TiC:TiB2摩爾比為2:1的雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料。增強區的微觀組織和XRD分析如圖4和圖5所示。與基體相比，TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強區的性能有了顯著的提高，見表l。權利要求1、不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟(1)混料原始粉料配製應滿足如下要求Ni質量百分比25；其餘為Ti、C和B4C，其摩爾比分別為Ti∶C∶B4C＝4∶1∶1和6∶3∶1，分別對應著產物中TiC和TiB2摩爾比為1∶1和2∶1，粉末粒度為3.5～45微米；將上述配製好的Ni、Ti、C和B4C粉末裝入低速球磨機內混合攪拌，球磨8-10小時，以保證混合均勻；(2)壓製成型把混合均勻的粉料放入模具中，在室溫下壓製成預製塊，其緊實率為75±5％；(3)預製塊的預處理將預製塊放入低真空加熱裝置內，以15-20℃/分的加熱速率加熱至250-300℃，除氣2-3小時；(4)陶瓷顆粒增強體生成在鑄件需要增強的部位放置已預處理過的預製塊，錳鋼鋼液溫度在1450℃以上，利用鋼液的高溫引燃預製塊自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預製塊中，從而製備出不同比例TiC/TiB2顆粒局部增強錳鋼複合材料。全文摘要本發明涉及一種不同比例TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼複合材料的製備方法。該複合材料中TiC與TiB2的摩爾比為1∶1和2∶1，Ni的質量百分比為25。製備步驟為將按上述比例配製好的Ni、Ti、C和B4C粉末裝入低速球磨機內攪拌均勻，然後放入模具中壓製成預製塊，之後將預製塊在低真空加熱爐內預處理。將預處理後的預製塊放置在鑄件需增強部位，利用鋼液的高溫引發型內預製塊自蔓延反應，同時原位合成TiC和TiB2顆粒增強體，鋼液浸滲到預製塊中，從而得到與基體界面結合良好的不同比例TiC/TiB2顆粒局部增強錳鋼複合材料。本發明在提高局部部位耐磨性的基礎上，同時保持錳鋼基體本身具有良好的強韌性。文檔編號C22C33/02GK101215664SQ20081005021公開日2008年7月9日申請日期2008年1月7日優先權日2008年1月7日發明者姜啟川,楊亞鋒,梁雲虹,王慧遠,趙如意申請人:吉林大學