TiB₂-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法

专利名称：TiB₂-TiC陶瓷颗粒梯度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方法，特别是涉及原位陶瓷颗粒梯度增强的钢基复 合材料的制备方法。
背景技术：
陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有性能各向同性、制备工艺简单、成本低廉、易于浇 注成形等优点，已成为复合材料领域的研究热点之一。然而，无论是外加还是原位颗粒增 强金属基复合材料，多为整体强化。但在很多场合下，并不要求材料整体都进行颗粒增强。 如挖掘机铲齿仅需齿尖增强，齿裤部分则需具有好的强韧性，以防使用过程中早期断裂而 失效。同样，破碎机锤头仅在锤头打击部位需要增强，保持高的硬度，而锤身则需要一定 的韧性，避免锤身断裂失效。此外，整体强化复合材料成本高，在一定程度上限制了其应 用范围，因此，急需开发新型梯度增强金属基复合材料。
目前，梯度或局部增强金属基复合材料的制备方法主要有两种外加法和原位反应法。
外加法是将已经形成的陶瓷颗粒通过添加粘结剂，混合均匀后压制成预制块，然后进一步
制备成复合材料。如专利95113785.9中将WC、 A1203或SiC等陶瓷与粘结相混匀后制成所 需形状的预制块，贴于需强化铸件的铸型局部，浇铸液体金属即获得局部复合材料。外加 法的主要不足是颗粒表面易受污染，结合强度低。原位反应法中陶瓷颗粒通过化学反应形 成，颗粒表面洁净、形状规整，且与基体界面结合强度高，因而备受青睐。如专利02109101.3 中采用A1、 Ti和C粉制成预制块，在铸型内反应形成原位陶瓷颗粒TiC，制备局部增强钢 基复合材料；专利200610038185.0中采用Ni、 Al、 Ti和C粉制成坯块，浇铸金属液后反应 形成TiC/Ni3Al金属间化合物基表面复合涂层；专利200610016778.7中将Al粉、Ti-Fe粉和 C粉混合制成预制块，通过浇铸金属钢液制备TiC颗粒局部增强钢基复合材料。

发明内容
本发明的目的是提供一种工艺相对简单、可靠，成本低廉且易于推广应用的原位瓷颗 粒梯度增强钢基复合材料的制备方法。
本发明的技术方案是采用廉价的工业Ti-Fe粉和B4C粉，通过铸型内浇铸高温金属钢 液诱发压坯的燃烧合成反应，形成原位TiB2和TiC陶瓷颗粒，制备陶瓷颗粒梯度增强钢基 复合材料。具体工艺过程包括反应物压坯的制备和铸型型腔内的燃烧合成反应两个阶段
1)反应物压坯的制备
a. 压坯组成压坯由粉料粒度小于80微米的工业B4C粉和Ti-Fe粉组成，其中Ti-Fe 粉中的Ti含量为25%《Ti《70 %， B4C粉和Ti-Fe粉的比例按摩尔比为TiB2:TiC=2:l ，
b. 混料将上述配制好的B4C粉和Ti-Fe粉装入球磨混料机中，混料6土1小时，使之 混合均匀，
c. 压制成型把混合均匀的粉体放入模具中，在室温下压制成坯，压坯密度为3.4土0.9 克/厘米3;
2)铸型型腔内的燃烧合成反应
a. 预处理将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至350土150 °C，烘 干除气4士1小时，
b. 燃烧合成反应将预处理后的压坯置于铸型型腔内铸件需要增强的特定区域或位置， 随后将1550±50 'C高温金属钢液浇注到铸型内，诱发压坯内的燃烧合成反应，形成TiB2 和TiC陶瓷颗粒，从而制备出原位TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料。
本发明与目前已有的技术相比具有以下特点
本发明提供一种工艺相对简单、可靠，成本低廉且易于推广应用的原位双相TiB2-TiC 陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法，即采用工业Ti-Fe粉和B4C粉反应形成原位 TiB2和TiC陶瓷颗粒，通过陶瓷颗粒梯度区域增强来提高复合材料的性能。此外，由于反 应物压坯中没有添加Al粉，既降低了成本，又减少了反应过程中由于Al的汽化而形成的 气孔倾向，使得复合材料更加致密，提高了其性能。
1) 原位陶瓷增强颗粒TiB2和TiC反应形成，形状规整，表面洁净，与基体结合加强度
咼；
2) 工艺简单可靠，成本低廉，反应物用廉价的工业Ti-Fe粉代替纯Ti粉，降低了成本；
3) 反应物压坯中没有A1粉，既降低了成本，又减少了复合材料中的气孔倾向，复合材 料致密性提高，进而提高了性能；
4)原位增强颗粒TiB2和TiC体积分数可控。


图1(a)采用压坯组成为-74微米的28Ti-Fe粉和~10微米的B4C粉制备的陶瓷颗粒梯度 增强钢基复合材料扫描组织
图1(b)采用压坯组成为 74微米的48Ti-Fe粉和 10微米的B4C粉制备的陶瓷颗粒梯度 增强钢基复合材料组织
图1(c)采用压坯组成为 74微米的68Ti-Fe粉和 10微米的B4C粉制备的陶瓷颗粒梯度 增强钢基复合材料组织
图2采用压坯组成为 74微米的68Ti-Fe粉和~10微米的B4C粉制备的陶瓷颗粒梯度增
强钢基复合材料高倍组织
图3采用压坯组成为 74微米的48Ti-Fe粉和~10微米的B4C粉制备的陶瓷颗粒梯度增 强钢基复合材料增强区、过渡区和基体区低倍组织
具体实施例方式
利用本发明制备的原位陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料，在保持基体合金材料本身具 有的韧性的同时，梯度增强区域的硬度和耐磨损性能得到了明显提高。以45#钢为基体，通 过高温金属钢液诱发铸型内压坯的燃烧合成反应，制备了原位陶瓷颗粒梯度增强钢基复合 材料，具体制备参数和性能数据如表1所示。由于陶瓷颗粒TiB2和TiC通过化学反应形成， 颗粒表面洁净、形状规整，且与基体界面结合强度高，具有良好的生产和市场应用前景与 潜力。
表1原位陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料制备参数与性能数据
反应物压坯组成
材料 45#钢基体
复合材料 梯度增强 区域
Ti-Fe中Ti
含量(%)
28 48 68
28 28
压坯密度 Ti-Fe粒度 (克/厘米3) (微米)
3,2 2.9
3.9
-75
-15
B4C粒度 (微米)
~10
、3.5 80
相对 耐磨性
1
1.8 2.5 2.8
2.4 1.7
硬度 (HRC)
<20 36.2-47.7 51.5-54.5 46.5-50,1
40.2-48.5 37.1-45.权利要求
1.一种TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料的制备方法，其特征在于工艺过程包括反应物压坯的制备和铸型型腔内的燃烧合成反应两个阶段1)反应物压坯的制备a.压坯组成压坯由粉料粒度小于80微米的工业B4C粉和Ti-Fe粉组成，其中Ti-Fe粉中的Ti含量为25％≤Ti≤70％，B4C粉和Ti-Fe粉的比例按摩尔比为TiB2∶TiC＝2∶1，b.混料将上述配制好的B4C粉和Ti-Fe粉装入球磨混料机中，混料6±1小时，使之混合均匀，c.压制成型把混合均匀的粉体放入模具中，在室温下压制成坯，压坯密度为3.2±0.3～3.4±0.9克/厘米3；2)铸型型腔内的燃烧合成反应a.预处理将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至350±150℃，烘干除气4±1小时，b.燃烧合成反应将预处理后的压坯置于铸型型腔内铸件需要增强的特定区域或位置，随后将1550±50℃高温金属钢液浇注到铸型内，诱发压坯内的燃烧合成反应，形成TiB2和TiC陶瓷颗粒，从而制备出原位TiB2-TiC陶瓷颗粒梯度增强钢基复合材料。
全文摘要
本发明涉及陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，特别是涉及梯度或局部增强钢基复合材料的制备工艺，其目的是采用反应形成的原位陶瓷颗粒对铸件需要增强的特定区域或位置进行强化，从而既保证了金属基体本身的韧性，又提高了服役区域或位置的高硬度和耐磨损性能。其工艺包括反应物压坯的制备和铸型型腔内的燃烧合成反应两个阶段1)采用廉价的工业Ti-Fe粉和B₄C粉作为反应物，按照预定比例混合均匀，压制成坯；2)将经过预处理后的反应物压坯放置于铸型内铸件需要强化的特定位置或区域，浇铸高温金属钢液诱发压坯的燃烧合成反应，原位形成TiB₂和TiC陶瓷增强颗粒。本发明相对已有技术工艺简单、可靠，成本低廉且易于推广应用。
文档编号B22D19/02GK101181741SQ20071005635
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月27日 优先权日2007年11月27日
发明者姜启川, 荔 张, 张伟娜, 王慧远, 王鹏建 申请人:吉林大学