不同比例TiC/TiB*双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种不同比例ＴｉＣ／ＴｉＢ↓［２］双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法。该复合材料中ＴｉＣ与ＴｉＢ↓［２］的摩尔比为１∶１和２∶１，Ｎｉ的质量百分比为２５。制备步骤为：将按上述比例配制好的Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃ和Ｂ↓［４］Ｃ粉末装入低速球磨机内搅拌均匀，然后放入模具中压制成预制块，之后将预制块在低真空加热炉内预处理。将预处理后的预制块放置在铸件需增强部位，利用钢液的高温引发型内预制块自蔓延反应，同时原位合成ＴｉＣ和ＴｉＢ↓［２］颗粒增强体，钢液浸渗到预制块中，从而得到与基体界面结合良好的不同比例ＴｉＣ／ＴｉＢ↓［２］颗粒局部增强锰钢复合材料。本发明专利技术在提高局部部位耐磨性的基础上，同时保持锰钢基体本身具有良好的强韧性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属基复合材料领域，特别涉及一种不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部 增强锰钢复合材料的制备方法。技术背景奥氏体锰钢是一种抗强冲击载荷磨粒磨损工况条件下经常用的耐磨材料，其特点是韧 性好但原始硬度低，因此，陶瓷颗粒的加入有利于其硬度的增加和耐磨性的提高。陶瓷颗 粒的加入有外加和内生两种方式，其中原位内生陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有原位增 强体与基体的界面干净，润湿性好，结合强度高，增强体尺寸小，形状较圆整等诸多优点， 从而备受关注。然而，内生颗粒增强金属基复合材料一般均为整体增强，但很多场合下，并不要求材 料整体都进行颗粒增强。因此一种新的颗粒局部增强钢基复合材料的制备解决了以下难 题(1)随着增强颗粒体积分数的提高，金属液流动性下降，不利于浇注形状复杂的铸件， 并且基体的韧性也随之下降；(2)不需要颗粒增强的部位也进行了强化，浪费了大量昂贵 的增强体。关于颗粒局部增强金属基复合材料增强体的选择，人们进行了大量的研究。在 众多的增强颗粒中，TiC和TiB2由于硬度高、耐磨性好得到广泛的应用。在中国专利技术专利 (专利号:ZL 02109101.3)中，已成功利用Al-Ti-C体系制得了TiC颗粒局部增强锰钢复 合材料。然而TiC高温时具有较大的热膨胀系数，并且冷却过程中容易造成应力，严重影 响性能，同时，该反应体系放热量大，Al容易气化，易形成气孔。而TiB2的热膨胀系数 较小，但其合成放热量较大，在制备过程中容易形成气孔。因此，本专利技术综合两种陶瓷的 优缺点，通过以Ni代Al，采用Ni-Ti-C-B4C体系制备出了不同比例TiC/TiB2颗粒局部增 强无气孔的锰钢复合材料，以满足不同工况下的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是以满足不同工况下的需求，在现有TiC颗粒局部增强锰钢复合材料的 基础上，提供一种用于制备不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备 方法。本专利技术的技术方案是将Ni-Ti-B4C-C体系的反应物，Ni、 Ti、 C和B4C粉末按比例 配制好，装入低速球磨机内混合均匀，然后压制成预制块；随后将钢液浇注到放置有经过 预处理后的反应预制块的砂型内，其热量引发预制块的原位自蔓延反应，从而制备出不同 比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。具体包括不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法，包括以下步骤 (1)混料原始粉料配制应满足如下要求Ni质量百分比25，其余为Ti、 C和B4C，其摩尔比分别为Ti: C: B4C=4: 1: 1和6: 3: 1，分别对应着产物中TiC和TiB2摩尔比 为l: l和2: 1，粉末粒度为3.5 45微米；将上述配制好的Ni、 Ti、 C和B4C粉末装入低 速球磨机内混合搅拌，球磨8-10小时，以保证混合均匀；(2) 压制成型把混合均匀的粉料放入模具中，在室温下压制成预制块，其紧实率为 75±5%;(3) 预制块的预处理将预制块放入低真空加热装置内，以15-20。C/分的加热速率加 热至250-30(TC ，除气2-3小时；(4) 陶瓷颗粒增强体生成在铸件需要增强的部位放置已预处理过的预制块，锰钢钢 液温度在1450'C以上，利用钢液的高温引燃预制块自蔓延反应，同时，钢液浸渗到预制块 中，从而制备出不同比例TiC/TiB2颗粒局部增强锰钢复合材料。本专利技术与目前已有的技术相比具有以下突出优点1. 可以制备出具有不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部区域增强的形状复杂的锰钢 复合材料零件。较好地解决了在一个零件中同时要求多种性能优化组合的材料设计关键难 题，即在易磨损、易高温软化、易疲劳失效等部位为高体积分数的陶瓷颗粒，而非失效部 位的锰钢基体具有高的强韧性，承受着各种交变载荷对零件的冲击，使零件高寿命地服役。2. 局部增强部位的颗粒体积分数可在较大范围内可调。解决了颗粒体积分数超过10% 金属液流动性显著下降，难以浇注成型形状复杂的铸件的难题。可直接铸造出大尺寸的、 形状复杂的、局部高颗粒体积分数增强的锰钢复合材料的铸件。3. 工艺简化，省去了颗粒增强部位与基体的连接工序。4. 成本降低，解决了颗粒整体增强时颗粒的浪费问题。5. 与单相颗粒局部增强钢基复合材料相比，不同比例TiC/TiB2颗粒局部增强锰钢复合 材料解决了以下难题通过以Ni代Al，采用Ni-Ti-C-B4C体系制备出了不同比例TiC/TiB2 颗粒局部增强无气孔的锰钢复合材料。此外TiC和TiB2双相颗粒均与基体润湿性好，颗粒 局部增强区的致密度高，并且性能也有显著的提高。附图说明图la预制块在铸型内放置的示意图； 图lb是图la的A-A剖面图；图2TiC和TiB2摩尔为1: 1的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料增强区的微观组织； 图3 TiC和TiB2摩尔为1: 1的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料增强区的X射线衍射 分析；图4 TiC和TiB2摩尔为2: 1的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料增强区的微观组织； 图5 TiC和TiB2摩尔为2: 1的颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料增强区的X射线衍射 分析；图中A-浇口 (向铸型浇入钢液的浇口) B-上箱C-下箱D-预制块E-增强区(例 如挖掘机铲齿的齿裤部分)F-锰钢基体(例如挖掘机铲齿的齿裤部分)具体实施方式 实施例1TiC和TiB2摩尔为1: 1的双相颗粒混杂局部增强耐磨锰钢复合材料的制备 将Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)、C粉(小于45微米)和B4C粉(小 于3.5微米)按Ti: B4C: C=4: 1: 1 (摩尔比)，Ni质量百分含量为25比例的混合料， 在低速球磨机中均匀混合8小时，然后压制成预制块，其紧实率为75±5%。将反应预制块 放置在低真空加热装置中，以15'C/分的加热速率加热到30(TC保温2小时，进行除气，把 除气后的预制块放置到铸型中铸件需要增强的部位。基体为锰钢(合金成分中的C和Mn 质量百分含量分别为0.9和9.5)，将145(TC以上的锰钢钢液浇入铸型中，引燃预制块发 生自蔓延反应，同时，钢液浸渗到预制块中，凝固后得到设计比TiC: TiB2摩尔比为l: 1 的双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。增强区的微观组织和XRD分析如图2和图3所 示。与基体相比，TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强区的性能有了显著的提高，见表l。表1锰钢基体与不同比例TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强区的性能比较<table>table see original document page 5</column></row><table>实施例2TiC和TiB2摩尔为2: 1的双相颗粒混杂局部增强耐磨锰钢复合材料的制备 将Ni粉(小于45微米)、Ti粉(小于25微米)、C粉(小于45微米)和B4C粉(小 于3.5微米)按Ti: B4C: C=6: 1: 3 (摩尔比)，Ni质量百分含量为25比例的混合料， 在低速球磨机中均匀混合8小时，然后压制成预制块，其紧实率为75±5%。将反应预制块 放置在低真空加热装置中，以15'C/分的加热速率加热到30(TC保温2小时，进行除气， 把除气后的预制块放置到铸本文档来自技高网...

【技术保护点】
不同比例ＴｉＣ／ＴｉＢ↓［２］双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（１）混料：原始粉料配制应满足如下要求：Ｎｉ质量百分比：２５；其余为Ｔｉ、Ｃ和Ｂ↓［４］Ｃ，其摩尔比分别为Ｔｉ∶Ｃ∶Ｂ↓［４］Ｃ＝４∶１∶１和６∶３∶１，分别对应着产物中ＴｉＣ和ＴｉＢ↓［２］摩尔比为１∶１和２∶１，粉末粒度为３．５～４５微米；将上述配制好的Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃ和Ｂ↓［４］Ｃ粉末装入低速球磨机内混合搅拌，球磨８－１０小时，以保证混合均匀；（２）压制成型：把混合均匀的粉料放入模具中，在室温下压制成预制块，其紧实率为７５±５％；（３）预制块的预处理：将预制块放入低真空加热装置内，以１５－２０℃／分的加热速率加热至２５０－３００℃，除气２－３小时；（４）陶瓷颗粒增强体生成：在铸件需要增强的部位放置已预处理过的预制块，锰钢钢液温度在１４５０℃以上，利用钢液的高温引燃预制块自蔓延反应，同时，钢液浸渗到预制块中，从而制备出不同比例ＴｉＣ／ＴｉＢ↓［２］颗粒局部增强锰钢复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜启川，杨亚锋，王慧远，梁云虹，赵如意，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[]