專利名稱：：TiC/TiB₂雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料的制備方法
技術領域：
：本發明涉及金屬基復合材料領域，特別涉及TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料的制備方法。
背景技術：
：奧氏體錳鋼韌性好，在經受較強烈沖擊時，表層產生加工硬化，體現出良好的耐磨性，因而比較適合于在強烈沖擊磨粒磨損工況條件下使用。但是其加工硬化能力有限，很難滿足高壽命的要求。因此，需要引入增強顆粒來提高其硬度。原位內生陶瓷顆粒增強金屬基復合材料主要具有原位增強體與基體的界面干凈，潤濕性好，結合強度高，增強體尺寸小，形狀較圓整等諸多優點。已成為金屬基復合材料的研究熱點之一，從而備受關注。然而，顆粒增強金屬基復合材料一般均為整體增強，但在很多場合下，并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復合材料的制備解決了以下難題(1)隨著增強顆粒體積分數的提高，金屬液流動性下降，不利于鑄造形狀復雜的鑄件，并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。發表在MaterialsScienceandEngineeringA(材料科學與工程A)，2007，InPress和MaterialsLetters(材料快訊)，2005，59:2043-2047上的研究論文通過鋼液的高溫引發Ni-Ti-C體系自蔓延反應，從而制得TiC單相顆粒局部增強鋼基復合材料。然而，TiC的斷裂韌性和耐磨性較低，而TiB2的耐磨性和斷裂韌性雖好，但放熱量大，易產生氣孔，不利于致密復合材料的制備。因此，本發明綜合兩種陶瓷的優缺點，制備出了具有較高耐磨性和斷裂韌性的原位內生雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料。技術內容本發明的目的在于克服TiC或TiB2單相顆粒局部增強鋼基復合材料的不足，提供一種用于制備TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料的制備方法。本發明的技術方案是將Ni-Ti-B4C體系的反應物，Ni，Ti和B4C粉末按比例配制好，裝入球磨機內混合均勻，然后壓制成預制塊；隨后將鋼液澆注到放置有經過預處理后的反應預制塊的砂型內，利用鋼液的熱量引發預制塊的原位反應，從而制備出原位內生TiC/TiB2顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料。具體包括一種TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料的制備方法，包括以下步驟(1)混料原始粉料應滿足如下要求Ni質量百分含量5~38;其余為Ti和B4C，摩爾比Ti:B4C=3:1，對應著產物中TiC和TiB2摩爾比為1:2，粉末粒度為3.5~45微米；將上述配制好的Ni、Ti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)壓制成型把混合均勻的粉料放入模具中，在室溫下壓制成預制塊，其緊實率為75±5%;(3)預制塊的預處理將預制塊放入低真空加熱裝置內，以15-20。C/分的加熱速率加熱至250-300°C，除氣2-3小時；(4)陶瓷顆粒增強體生成將已預處理過的預制塊放置在鑄件需要增強的部位，錳鋼鋼液溫度保證在145(TC以上，利用錳鋼鋼液的高溫引燃預制塊自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預制塊中，從而制備出TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料。本發明與目前已有的技術相比具有以下突出優點1.本發明的特色在于將自蔓延燃燒合成技術和鑄造技術進行了有機的結合。即將預制塊放置在鑄件使用時易失效部位，依靠澆入金屬液的高溫，誘發放置在型內的預制塊自蔓延反應合成TiC和TiB2陶瓷顆粒增強相，同時鋼液浸滲到預制塊中，制備出TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部區域增強的錳鋼復合材料。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大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沖擊，使零件高壽命地服役。工藝簡化，成本降低。2.可以制備出大尺寸的、形狀復雜的、局部高顆粒體積分數增強的錳鋼復合材料的鑄件。較好地解決了增強顆粒體積分數受到限制，浪費了大量昂貴的增強體等關鍵難題。3.與單相顆粒局部增強鋼基復合材料相比，TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料更為致密，TiC和TiB2雙相顆粒均與基體潤濕性好，其斷裂韌性和耐磨性明顯提高。圖1預制塊在鑄型內放置的示意圖；圖210wtn/。Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料增強區的微觀組織；圖310wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料增強區的X射線衍射分析；圖430wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料增強區的微觀組織；圖530wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料增強區的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-預制塊E-增強區(例如綞式破碎機錘頭部分)F-錳鋼基體(例如錘式破碎機非磨損部分)具體實施例方式實施例15wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料將Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C=3:1(摩爾比)，Ni質量百分含量為5比例的混合料，在球磨機中均勻混合8小時，然后壓制成預制塊，其緊實率為75±5%。將反應預制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，把除氣后的預制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1450°C以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預制塊發生自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預制塊中，凝固后得到設計比TiC:TiB2摩爾比為l:2的顆粒局部增強耐磨錳鋼復合材料。實施例210wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料將Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C=3:1(摩爾比)，Ni質量百分含量為IO比例的混合料，在球磨機中均勻混合8小時，然后壓制成預制塊，其緊實率為75±5%。將反應預制塊放置在低真空加熱裝置中，以15'C/分的加熱速率加熱到300'C保溫2小時，進行除氣，把除氣后的預制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，引燃預制塊發生自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預制塊中，凝固后得到設計比TiC:TiB2摩爾比為1:2的顆粒局部增強耐磨錳鋼復合材料，增強區的微觀組織和XRD分析參閱圖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，參閱表l。表1錳鋼基體與TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強區的性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>實施例330wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料將Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C=3:1(摩爾比)，Ni質量百分含量為30比例的混合料，在球磨機中均勻混合8小時，然后壓制成預制塊，其緊實率為75±5%。將反應預制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，把除氣后的預制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1450'C以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預制塊發生自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預制塊中，凝固后得到設計比TiC:TiB2摩爾比為l:2的顆粒局部增強耐磨錳鋼復合材料，增強區的微觀組織和XRD分析參閱圖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，參閱表l。實施例438wt.%Ni-Ti-B4C制備的TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料將Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)和B4C粉(小于3.5微米)按Ti:B4C=3:1(摩爾比)，Ni質量百分含量為38比例的混合料，在球磨機中均勻混合8小時，然后壓制成預制塊，其緊實率為75±5%。將反應預制塊放置在低真空加熱裝置中，以15'C/分的加熱速率加熱到300'C保溫2小時，進行除氣，把除氣后的預制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1450'C以上的錳鋼鋼液澆入鑄型中，引燃預制塊發生自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預制塊中，凝固后得到設計比TiC:TiB2摩爾比為l:2的顆粒局部增強耐磨錳鋼復合材料。權利要求1、一種TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)混料原始粉料應滿足如下要求Ni質量百分含量5～38；其余為Ti和B4C，摩爾比Ti∶B4C＝3∶1，對應著產物中TiC和TiB2摩爾比為1∶2，粉末粒度為3.5～45微米；將上述配制好的Ni、Ti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)壓制成型把混合均勻的粉料放入模具中，在室溫下壓制成預制塊，其緊實率為75±5％；(3)預制塊的預處理將預制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將已預處理過的預制塊放置在鑄件需要增強的部位，錳鋼鋼液溫度保證在1450℃以上，利用錳鋼鋼液的高溫引燃預制塊自蔓延反應，同時，鋼液浸滲到預制塊中，從而制備出TiC/TiB2雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料。全文摘要本發明涉及一種TiC/TiB₂雙相顆粒混雜局部增強錳鋼復合材料的制備方法，其工藝過程包括預制塊由Ni，Ti和B₄C粉末組成，Ni的質量百分含量為5-38，Ti和B₄C的摩爾比為3∶1，對應產物中TiC和TiB₂的摩爾比為1∶2，將配制好的Ni、Ti和B₄C粉末經球磨機攪拌均勻，然后放入模具中壓制成預制塊，將預制塊在低真空加熱爐內預處理。然后將預制塊放置在鑄件需增強部位，利用鋼液的高溫引發型內預制塊自蔓延反應，原位合成TiC/TiB₂雙相顆粒增強體，同時，得到與基體界面結合良好的TiC/TiB₂顆粒局部增強錳鋼復合材料。本發明克服了TiC或TiB₂單相顆粒局部增強鋼基復合材料的不足。文檔編號B22D19/02GK101214541SQ20081005021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,梁云虹,王慧遠,趙如意申請人:吉林大學