本發(fā)明涉及一種顆粒增強金屬基復(fù)合的制備方法，屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對材料的耐磨性要求越來越高，礦山、建材、冶金、電力、化工、機械和農(nóng)業(yè)等部門都需要礦山機械、工程機械、農(nóng)業(yè)機械以及各種破碎粉磨設(shè)備，而這些設(shè)備的易損件要受到礦石、砂石以及土壤等各種物料和研磨體的磨損，每年要消耗大量金屬材料，特別在礦山領(lǐng)域，每年大有數(shù)以萬噸的耐磨材料因磨損而被消耗，且這個數(shù)字還在以一定速度不斷攀升，由此可見，耐磨材料的消耗量是非常巨大的。而隨著工程領(lǐng)域不斷向前發(fā)展邁進，各行業(yè)對材料耐磨性能的要求也越來越苛刻，傳統(tǒng)單一的金屬、陶瓷等工程材料，已很難滿足現(xiàn)在工業(yè)的要求。而如今金屬基復(fù)合材料已作為耐磨、耐蝕、耐熱材料而被開發(fā)和利用，該材料兼有金屬基體的良好韌性和顆粒增強體的高強度、高模量、高硬度，致使該類復(fù)合材料具有很好的耐磨損性能，與此同時該類復(fù)合材料還具有良好耐腐蝕，易于制備，成本低廉等優(yōu)良特性，從而引起各國政府、工業(yè)界和高校研究員的重視，使其在耐磨行業(yè)得到了很大的發(fā)展與應(yīng)用。近年來，研究人員通過優(yōu)化各種工藝參數(shù)來改善顆粒增強金屬基復(fù)合材料耐磨性能，成功地研發(fā)了多種工藝方法，這些工藝方法不斷被使用，不斷被改進，受到工程研究人員的青睞。

傳統(tǒng)的鑄造制備工藝制備的復(fù)合材料，需要加入有機或者無機粘結(jié)劑和熔劑，在沒有抽真空的情況下進行液態(tài)金屬澆注，就會造成粘結(jié)劑或熔劑汽化或渣化，易產(chǎn)生氣孔和夾雜，不可避免的導致復(fù)合材料內(nèi)部顆粒分布不均勻，材料內(nèi)部組織復(fù)雜，加大研究難度，從而降低材料性能；新工藝液相燒結(jié)法制備的復(fù)合材料，雖然可以使顆粒均勻地分布在材料內(nèi)部，但其增強顆粒與基體間潤濕性較差，導致復(fù)合材料的耐磨性能也比較差。

中國發(fā)明專利cn104911379a提供一種高性能金屬基復(fù)合材料的制備方法，包括：取粒狀的原材料al、fe、cr、co和ni金屬粉；通過球磨機在氬氣氛保護下，制備高熵合金粉體；稱取純銅粉體及高熵合金粉體；將二者在氬氣氛保護下進行球磨

混合，得到復(fù)合材料粉末；將復(fù)合材料粉末放入冷壓磨具內(nèi)，勻速加壓且在保壓后取出冷壓坯體；將冷壓后的復(fù)合材料放入氣氛保護燒結(jié)爐的石墨磨具，升溫至800℃，等爐溫穩(wěn)定后，進行熱壓并且保壓1小時，整個過程通入循環(huán)的氮氣；以及隨爐冷卻至室溫，得到銅基復(fù)合材料。相比于現(xiàn)有技術(shù)，采用上述制備方法，缺點在于高熵效應(yīng)的存在，使得各種元素在冷卻過程中擴散困難，使高熵合金粉體在冷卻過程中極易形成粉體和納米晶結(jié)構(gòu)，造成元素尺寸差異，嚴重影響復(fù)合材料性能。

中國發(fā)明專利cn103667851a涉及了一種顆粒增強金屬基復(fù)合材料的液相燒結(jié)的新型制備方法，首先使用球磨機將增強顆粒和基體粉末混合均勻，然后利用放電等離子真空燒結(jié)設(shè)備將混合粉末燒結(jié)成預(yù)制坯，最后將預(yù)制坯放入真空管式爐中進行重熔，該方法制備的復(fù)合材料其優(yōu)點是增強顆粒與基體之間的比例可以任意混合，而且增強顆粒可以均勻地分布在復(fù)合材料內(nèi)部。這種方法制備的缺點是由于增強顆粒與基體之間不能很好地潤濕，而且重熔過程中溫度較低，導致增強顆粒與基體不能進行發(fā)生充分的冶金反應(yīng)，界面就不能很好地結(jié)合，致使復(fù)合材料的綜合性能降低，因此它在工業(yè)上的使用在很大程度上受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一種顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）將增強顆粒、合金粉末混合均勻，加入粘結(jié)劑，攪拌均勻制成糊狀混合物，然后涂覆于eps模樣底面，干燥后得到預(yù)制復(fù)合層。

（2）將金屬粉末與粘結(jié)劑混合均勻，制成糊狀物涂覆于預(yù)制復(fù)合層之上，干燥后得到預(yù)制過渡層。

（3）在eps模樣的外表面均勻涂覆耐火材料，烘干后置于砂型型腔中，填干砂振實，將型腔底部進行抽真空。

（4）熔融的金屬液從澆口澆入，待凝固后進行清砂處理，即得到顆粒增強金屬基表層復(fù)合材料；澆注時遵循快慢快原則，首先要慢澆，這樣可以直澆道內(nèi)的泡沫塑料汽化后的氣體從澆口杯跑出來，當金屬液到達直澆道底部時要快澆，利用金屬液將澆口杯封住，這樣能夠使得澆口杯一直呈現(xiàn)充滿狀態(tài)，可以有效防止空氣從澆口杯吸入；最后澆注即將完畢時慢澆，防止金屬液從澆口杯溢出；待凝固后進行清砂處理，即得到顆粒增強金屬基表層復(fù)合材料。

本發(fā)明所述合金粉末為cr合金、w-fe、co-fe中其中一種；所述增強顆粒為wc、al2o3、sic中的一種；所述金屬粉末為w、al、si中其中一種；所述基體金屬為高錳鋼或高鉻鑄鐵。

優(yōu)選的，本發(fā)明增強顆粒、合金粉末、粘結(jié)劑的質(zhì)量比（2.5~4）:(2.5~6):(2~3)；金屬粉末與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(6~8):(2~4)。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述合金粉末和金屬粉末的粒徑為30～75μm；增強顆粒粒徑為180～550μm；基體金屬粉末粒徑為20～100μm。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇水溶液，質(zhì)量百分比濃度為6～9wt%。

優(yōu)選的，本發(fā)明預(yù)制復(fù)合層的厚度為5~10mm，預(yù)制過渡層的厚度為6～10mm，耐火材料涂層的厚度為0.5～1mm。

優(yōu)選的，本發(fā)明步驟（3）中真空度為30~64pa。

本發(fā)明所述澆注系統(tǒng)的橫澆道為(30～35)×(25～30)×(250～300)mm，直澆道為(30～35)×(30～35)×(120～150)mm，內(nèi)澆道為(15～20)×(15～20)×(30～35)mm。

本發(fā)明所述耐火材料涂覆后烘烤時間為2～3h，烘烤溫度為50～60℃。

本發(fā)明所述方法所制備的復(fù)合材料由三層組成，由下而上分別為復(fù)合層、過渡層和基材層，過渡層的添加有效避免了復(fù)合層和基材組織在性能上的突變，大大提高了復(fù)合層和基材層的結(jié)合強度。其次，通過控制合金粉末和金屬粉末含量來調(diào)節(jié)復(fù)合層厚度以及過渡層厚度，進而優(yōu)化復(fù)合材料耐磨性能。最后，復(fù)合層添加合金粉末，不僅提高了增強顆粒和基體粉末之間的潤濕性，使得增強顆粒與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，極大地提高了復(fù)合材料的耐磨性能，而且復(fù)合層中合金粉末由于元素的擴散現(xiàn)象會從復(fù)合層擴散到過渡層，在原有的基礎(chǔ)上進一步提高了復(fù)合層的結(jié)合強度。

本發(fā)明的有益效果：

（1）本發(fā)明所述方法所制備的復(fù)合材料由三層組成，由下而上分別為復(fù)合層、過渡層和基材層，過渡層的添加有效避免了復(fù)合層和基材組織在性能上的突變，大大提高了復(fù)合層和基材層的結(jié)合強度，合金粉末和金屬粉末的含量對鑄滲厚度及其復(fù)合層厚度有很大的影響，從而通過控制合金粉末和金屬粉末含量來調(diào)節(jié)復(fù)合層厚度，進而優(yōu)化復(fù)合材料耐磨性能。

（2）合金粉末和金屬粉末的添加，提高了增強顆粒和基體粉末之間的潤濕性，使得增強顆粒與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，極大地提高了復(fù)合材料的耐磨性能。

（3）本發(fā)明所述方法簡便實用，不必考慮涂層膏塊的安放和固定，可以有效避免氣孔和夾雜等缺陷的產(chǎn)生，負壓對eps和涂膠氣化物的排除十分有效，顯著改善了鑄滲層的質(zhì)量。

（4）本發(fā)明所述方法制備的表層復(fù)合材料鑄件表面質(zhì)量好、尺寸精度高，能夠減少人力并將工人從惡劣的作業(yè)環(huán)境和繁重的體力勞動中解放出來。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的澆注工藝原理圖；

圖2是實施例1中表層復(fù)合材料縱向剖面sem示意圖；

圖3是實施例1中添加cr粉末的表層復(fù)合材料復(fù)合層金相圖；

圖4是實施例1中cr元素、w元素擴散示意圖；

圖5是實施例1表層復(fù)合材料三體磨料磨損體積磨損量隨磨損時間的變化規(guī)律。

圖1中：1-石英砂，2-eps模樣，3-涂料，4-預(yù)置體，5-真空管。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于所述內(nèi)容。

實施例1

本實施例所述的顆粒增強復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下：

（1）將560g粒徑為180～250μm的wc顆粒、560g粒徑為30～40μm的cr合金粉末混合均勻，加入420g濃度為6wt%的聚乙烯醇粘結(jié)劑，攪拌均勻制成糊狀混合物，然后涂覆于eps模樣底面，干燥后得到預(yù)制復(fù)合層（5mm），澆注系統(tǒng)的橫澆道為30×25×250mm，直澆道為30×30×120mm，內(nèi)澆道為15×15×30mm。

（2）將800g粒徑為30～40μm的w粉末與200g濃度為6wt%的聚乙烯醇粘結(jié)劑混合均勻，制成糊狀物涂覆預(yù)制復(fù)合層之上，干燥后得到預(yù)制過渡層（6mm）。

（3）將耐火材料均勻涂覆于整個eps模樣的外表面，涂覆厚度約為0.5mm，然后將整個烘箱中烘烤2h，設(shè)定烘烤溫度為50℃，烘烤完畢干燥填干砂振實模型待用；然后將烘干的模型放入鋼制的砂箱中(65×55×55cm)，將砂箱底部的抽氣管與型號為sk-3水環(huán)式真空泵相連接進行抽真空，將真空系統(tǒng)抽到最大真空度64pa。

（4）熔融的鐵水從澆口澆入，待凝固后進行清砂處理，即得到wc顆粒增強鐵基復(fù)合材料，其縱向剖面如圖2所示，該復(fù)合材料復(fù)合層金相圖如圖3所示。由于澆注及后續(xù)凝固過程中會發(fā)生元素擴散現(xiàn)象，復(fù)合層中添加的cr元素和過渡層中添加的w元素會向周邊層擴散，最終提高了包括宏觀界面和微觀界面的結(jié)合強度，進一步優(yōu)化了整個表層復(fù)合材料的綜合性能，其擴散示意圖如圖4所示。

用本實施例所述方法制備添加cr合金粉末質(zhì)量分別為0g、560g、685g、839g的復(fù)合材料來做三體磨料磨損性能試驗，采用三體磨料磨損試驗機對不同表層復(fù)合材料的耐磨性進行測試，設(shè)定試驗機的轉(zhuǎn)速為60r/min。磨損試驗前對各個測試試樣的表面進行磨削加工，以便消除表面粗糙度對耐磨性的影響，粗糙度要達到ra0.8，同時對每個試樣進行預(yù)磨30min。采用leicadfc280光學顯微鏡和xl30esem-tmp掃描電鏡表層復(fù)合材料的基體組織進行觀察，采用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料磨損形貌，分析其磨損機制。結(jié)果表明：隨著基體中cr含量的增加，wc復(fù)合材料的三體磨料磨損性能逐漸提高，與未添加cr合金的表層復(fù)合材料相比，當基體中cr含量為839g時，表層復(fù)合材料的三體磨料磨損性能提高40.6%，如圖5所示。添加cr合金可提高wc復(fù)合材料三體磨料磨損性能的機制是由于雙“陰影效應(yīng)”和“支撐效應(yīng)”二者的協(xié)同作用。隨著磨料磨損時間逐漸增加，wc對基體組織的“陰影保護”作用也將會進一步加強，這將使得磨料對基體組織的磨損率逐漸下降。隨著磨損試驗不斷地進行，wc表面極易出現(xiàn)微裂紋，嚴重時會有少量的脆性碎裂發(fā)生在顆粒表面，而且少量碳化物在其局部局部會發(fā)生脫落現(xiàn)象，這是因為隨著磨損試驗的進行，珠光體逐漸被磨損，凸起的碳化物在磨料的作用下會發(fā)生脆性斷裂甚至脫落，碳化物周圍的珠光體組織得到了更多來自碳化物的“陰影保護”，基體組織的抗磨料磨損性能得到提高，說明了珠光體對碳化物的支撐作用也很重要。

對于復(fù)合材料微觀組織，當基體中不含cr時，只有極少碳化物游離于組織中，當在預(yù)制體中加入cr合金粉末后，在基體組織中出現(xiàn)了網(wǎng)狀碳化物。隨著cr合金粉末含量逐漸升高，網(wǎng)狀碳化物逐漸變成塊狀碳化物，與此同時碳化物含量也隨之減少。在基體組織不含cr的表層復(fù)合材料中，基體組織主要由白色鐵素體、黑色珠光體和片狀石墨以及少量碳化物組成。當在預(yù)制層中加入cr合金粉末后，基體中的c含量會逐漸提升，基體組織主要由層片狀的珠光體和碳化物組成。隨著預(yù)制層中cr合金粉末含量逐漸升高，基體中的碳化物數(shù)量也隨之升高，組織中除碳化物外其余部分仍為珠光體。所以基體組織中碳化物的含量對提高表層復(fù)合材料的三體磨料磨損性能具有重要的積極作用，隨著基體組織中碳化物含量的增加，珠光體組織的減少，復(fù)合材料的耐磨性能提高。

實施例2

本實施例所述的顆粒增強復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下：

（1）將700g粒徑為250～380μm的al2o3顆粒、800g粒徑為35～45μm的w-fe粉末混合均勻，加入500g濃度為7wt%的聚乙烯醇粘結(jié)劑，攪拌均勻制成糊狀混合物，然后涂覆于eps模樣底面，干燥后得到預(yù)制復(fù)合層（10mm），澆注系統(tǒng)的橫澆道為35×30×300mm，直澆道為35×35×150mm，內(nèi)澆道為20×20×35mm。

（2）將700g粒徑為35～45μm的al粉末與300g濃度為6wt%的聚乙烯醇粘結(jié)劑混合均勻，制成糊狀物涂覆預(yù)制復(fù)合層之上，干燥后得到預(yù)制過渡層（8mm）。

（3）將耐火材料均勻涂覆于整個澆注系統(tǒng)，涂覆厚度約為0.6mm，然后將整個烘箱中烘烤2.4h，設(shè)定烘烤溫度為55℃，烘烤完畢干燥填干砂振實模型待用。然后將烘干的模型放入鋼制的砂箱中(65×55×55cm)，將砂箱底部的抽氣管與型號為sk-3水環(huán)式真空泵相連接進行抽真空，將真空系統(tǒng)抽到50pa。

（4）熔融的鐵水從澆口澆入，待凝固后進行清砂處理，待凝固后清理得到al2o3顆粒增強鐵基復(fù)合材料。由于澆注及后續(xù)凝固過程中會發(fā)生元素擴散現(xiàn)象，復(fù)合層中添加的w-fe粉末和過渡層中添加的al粉末會向周邊層擴散，最終提高了包括宏觀界面和微觀界面的結(jié)合強度，進一步優(yōu)化了整個表層復(fù)合材料的綜合性能。

用本實施例所述方法制備添加w-fe粉質(zhì)量分別為600g、700g、800g、900g的復(fù)合材料來做三體磨料磨損性能試驗，采用三體磨料磨損試驗機對不同表層復(fù)合材料的耐磨性進行測試，設(shè)定試驗機的轉(zhuǎn)速為80r/min。磨損試驗前對各個測試試樣的表面進行磨削加工，以便消除表面粗糙度對耐磨性的影響，粗糙度要達到ra0.7，同時對每個試樣進行預(yù)磨33min。采用leicadfc280光學顯微鏡和xl30esem-tmp掃描電鏡表層復(fù)合材料的基體組織進行觀察，采用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料磨損形貌，分析其磨損機制；結(jié)果表明：隨著基體中w-fe含量的增加，al2o3復(fù)合材料的三體磨料磨損性能逐漸提高，與未添加w-fe的表層復(fù)合材料相比，當基體中w-fe含量為850g時，表層復(fù)合材料的三體磨料磨損性能提高38.7%。

實施例3

本實施例所述的顆粒增強復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下：

（1）將800g粒徑為380～550μm的sic顆粒、600g粒徑為55～65μm的co-fe粉末混合均勻，加入600g濃度為9wt%的聚乙烯醇粘結(jié)劑，攪拌均勻制成糊狀混合物，然后涂覆于eps模樣底面，然后涂覆于eps模樣底面，干燥后得到預(yù)制復(fù)合層（7mm），澆注系統(tǒng)的橫澆道為32×28×280mm，直澆道為32×32×130mm，內(nèi)澆道為18×18×33mm。

（2）將900g粒徑為55～65μm的si粉末與420g濃度為6wt%的聚乙烯醇粘結(jié)劑混合均勻，制成糊狀物涂覆預(yù)制復(fù)合層之上，干燥后得到預(yù)制過渡層（10mm）。

（3）將耐火材料均勻涂覆于整個eps模樣的外表面，涂覆厚度約為0.8mm，然后將整個烘箱中烘烤2.6h，設(shè)定烘烤溫度為60℃，烘烤完畢干燥填干砂振實模型待用。然后將烘干的模型放入鋼制的砂箱中(65×55×55cm)，將砂箱底部的抽氣管與型號為sk-3水環(huán)式真空泵相連接進行抽真空，將真空系統(tǒng)抽到50pa。

（4）熔融的鐵水從澆口澆入，待凝固后進行清砂處理，待凝固后清理得到sic顆粒增強鐵基復(fù)合材料。由于澆注及后續(xù)凝固過程中會發(fā)生元素擴散現(xiàn)象，復(fù)合層中添加的co-fe粉末和過渡層中添加的si粉末會向周邊層擴散，最終提高了包括宏觀界面和微觀界面的結(jié)合強度，進一步優(yōu)化了整個表層復(fù)合材料的綜合性能。

用本實施例所述方法制備添加co-fe粉質(zhì)量分別為600g、750g、900g、1050g的復(fù)合材料來做三體磨料磨損性能試驗，采用三體磨料磨損試驗機對不同表層復(fù)合材料的耐磨性進行測試，設(shè)定試驗機的轉(zhuǎn)速為70r/min。磨損試驗前對各個測試試樣的表面進行磨削加工，以便消除表面粗糙度對耐磨性的影響，粗糙度要達到ra0.9，同時對每個試樣進行預(yù)磨35min。采用leicadfc280光學顯微鏡和xl30esem-tmp掃描電鏡表層復(fù)合材料的基體組織進行觀察，采用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料磨損形貌，分析其磨損機制。結(jié)果表明：隨著基體中co-fe含量的增加，sic復(fù)合材料的三體磨料磨損性能逐漸提高，與未添加co-fe的表層復(fù)合材料相比，當基體中co-fe含量為900g時，表層復(fù)合材料的三體磨料磨損性能提高39.6%。