一种高强高导热率铁基合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强高导热率铁基合金及其制备方法，首先将原料粉末Ni粉和Al粉1:1进行配比后进行球磨，得到细小均匀的B2结构的纳米NiAl粉体，然后将制得的NiAl粉与Fe粉、AlN粉继续球磨混合，得到合金粉末，最后将合金粉末热压烧结，形成所需的块体复合材料；本发明专利技术将机械合金化技术与热压烧结技术相结合，制备方法简单，本发明专利技术制备方法能够降低铁基材料整体密度的同时提高其力学性能，并改善其热导率，所得产品成本低，纯度高，密度低，力学性能和热物理性能优异。

A high strength and high thermal conductivity iron base alloy and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高强高导热率铁基合金及其制备方法
本专利技术属于铁基合金
，具体涉及一种高强高导热率铁基合金及其制备方法。
技术介绍
柴油机较汽油机具有功率大、热效率高、最大爆发压力高等特点。其工作条件更加恶劣，而气缸盖是发动机的重要部件，与活塞共同形成燃烧空间，因此对气缸盖的强度要求也更高。为适应强度要求，柴油机气缸盖一般选用铸铁材料而非铸铝材料。随着装备轻量化需求及柴油机功率密度的进一步提高，传统气缸盖材料已不能满足使用要求，因此开发轻质高强高导热铁基合金新材料是重中之重。在CN108588530A中揭露了这样的技术信息，经过表面处理的人造金刚石粉可作为增强相添加至铁基合金中，在降低整体材料密度的同时大幅度提高材料的导热性能，但研究发现该添加对材料整体力学性能改善并不明显，材料力学性能难以达到使用要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高强高导热率铁基合金及其制备方法，以克服现有技术存在的材料力学性能难以达到使用要求的问题。一种高强高导热率铁基合金的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将原料粉末Ni粉和Al粉按照原子比为1:1进行配比后装入抽真空并充入氩气的球磨罐中进行球磨，运转/停止间隔时间30min，共计70h，得到细小均匀的B2结构的纳米NiAl粉体；步骤二：42.50-48.50份Fe粉、42.50-48.50份步骤一制得的NiAl粉按照质量比为1:1进行配比后，加入3.00-15.00份AlN粉末，继续球磨混合5h，得到最终合金粉末，Fe粉、NiAl粉和AlN粉总计为100份；步骤三：将步骤二中获得的合金粉末填入石墨模具中，通过热压烧结即形成所需的块体复合材料，烧结温度为1050℃，烧结压力为20MPa。步骤一中，采用分步球磨法，料与磨球的质量比为1:10，转速为250r/min，制得的粉体颗粒尺寸为100nm-200nm。步骤二中，采用分步球磨法，料与磨球的质量比为1:3，转速为100r/min。步骤三中，热压烧结的工艺参数为：真空度6.67×10-3Pa，热压烧结以10℃/min的升温速率升温至目标温度1050℃并保温60min，然后随炉冷却至室温。上述制备方法制得的高强高导热率铁基合金。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术制备方法简单，在机械合金化过程中根据AlN粉量的添加来调节AlN/NiAl增强Fe基合金中AlN的质量分数，进而降低材料的密度、改善材料的力学性能和高温热物理性能；2、将机械合金化技术与热压烧结技术相结合，研制的新型AlN/NiAl增强铁基合金可应用在高功率密度柴油机气缸盖材料等
3、氮化铝理论密度为3.26g/cm3，其晶体结构与金刚石类似，室温及高温环境下硬度和强度较高，并具有良好的高温腐蚀抗力，且成本较低，与铁基体和B2结构NiAl相润湿性较好，无不良界面反应，有较好的物理化学相容性。因此弥散分布的氮化铝和B2结构NiAl相的双重加入有望降低铁基材料整体密度的同时提高其力学性能，并改善其热导率。4、制备工艺中采用阶段性球磨工艺，所得产品成本低，纯度高，密度低，力学性能和热物理性能优异。附图说明图1是机械合金化后的NiAl粉体SEM形貌图和XRD物相分析图谱；图2是实施例2中5.00wt.%AlN增强NiAl/Fe合金TEM分析；图3是实施例3热压烧结后10.00wt.%AlN增强NiAl/Fe合金块体复合材料扫描电镜照片及点分析结果。具体实施方式下面将结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式包括但不限于以下实施例表示的范围。本专利技术涉及的高强高导热率的AlN/NiAl增强铁基合金的制备方法，采用Ni粉、Al粉机械合金过程中发生反应生成纳米B2有序结构的NiAl粉体颗粒，继而将B2结构NiAl粉、AlN粉和Fe粉按一定比例继续均匀混合，得到细小均匀的AlN/NiAl增强铁基合金复合粉末，再通过热压烧结得到块体复合材料，以获得具有低密度耐热AlN/NiAl增强Fe基材料。包括以下步骤：步骤一：按料：磨球=1：10的质量比将原料粉末Ni粉和Al粉按照原子比为1:1进行配比后装入抽真空并充入氩气的球磨罐中以250r/min的转速进行球磨，运转/停止间隔时间30min，共计70h，得到细小均匀的B2结构的纳米NiAl粉体。步骤二：按质量分数称取42.50-48.50%Fe粉、42.50-48.50%纳米尺度B2结构的NiAl粉和3.00-15.00%的AlN粉；Fe粉、B2结构的NiAl粉按照质量百分比为1:1进行配比后，加入质量百分数为3.00-15.00%的AlN粉末，以球料比3:1，转速100r/min的球磨机中继续混合5h，得到最终合金粉末。步骤三：将步骤三中获得的合金粉末填入石墨模具中，通过热压烧结即形成所需的块体复合材料；其中，烧结温度为1050℃，烧结压力为20MPa。实施例1：步骤一、按原料原子比1:1将Ni粉(20.55g)、Al粉(9.45g)粉放入二氧化锆球磨罐中，加入直径为10mm的二氧化锆磨球300g，球磨前需用O型密封圈密封后对球磨罐抽真空并充入氩气，以250r/min的转速进行球磨，运转/停止间隔时间30min，共计70h条件下进行混合球磨，制得细小均匀的B2结构的纳米NiAl粉体。图1是1NiAl粉体的SEM照片及XRD谱图。从图1可看出，NiAl粉体较为细小，颗粒表面较为圆整，粉体颗粒尺寸约在100-200nm左右。图1（b）XRD谱图中出现的较强衍射峰为(100)、(110)、(211)面的衍射峰，均为金属间化合物B2结构NiAl的衍射峰，表明经机械合金化可成功制备B2结构NiAl粉体。步骤二、按原料质量分数：48.50%Fe粉(48.50g)、48.50%AlN粉(48.50g)和上述步骤制得的3.00%NiAl(3.00g)粉放入不锈钢球磨罐中，磨球为不锈钢磨球，以球料比3:1，转速100r/min的球磨机中混合5h，得到3.00%AlN/NiAl增强Fe基复合粉体。步骤三、称取上述混合物粉末30g，装入高强度石墨模具，在上海晨华电炉有限公司生产热压烧结炉(ZT-40-20Y)中进行烧结。主要烧结工艺参数为：真空度为6.67×10-3Pa，热压烧结以10℃/min的升温速率升温至1050℃并保温60min，然后随炉冷却至室温，最终得到质量分数为3.00%AlN/NiAl增强Fe基合金烧结体。该烧结体经过机械切割加工成一定尺寸，按照实验抛光的具体操作，首先在砂纸上磨光后，再在抛光机上进行抛光，对其致密度、硬度、室温抗压强度及500℃高温热导率进行测试，结果为：密度经测试为6.25g/cm3，同纯铁对比下降了17.00%；硬度为47.00HRC，室温抗压强度2150.30MPa，较纯铁提高了188.55%；其高温导热系数为31.93W/(m•K)，较纯铁提高了2.87%。...

【技术保护点】
1.一种高强高导热率铁基合金的制备方法，其特征在于：/n包括以下步骤：/n步骤一：将原料粉末Ni粉和Al粉按照原子比为1:1进行配比后装入抽真空并充入氩气的球磨罐中进行球磨，运转/停止间隔时间30min，共计70h，得到细小均匀的B2结构的纳米NiAl粉体；/n步骤二：42.50-48.50份Fe粉、42.50-48.50份步骤一制得的NiAl粉按照质量比为1:1进行配比后，加入3.00-15.00份AlN粉末，继续球磨混合5h，得到最终合金粉末，Fe粉、NiAl粉和AlN粉总计为100份；/n步骤三：将步骤二中获得的合金粉末填入石墨模具中，通过热压烧结即形成所需的块体复合材料，烧结温度为1050℃，烧结压力为20MPa。/n

【技术特征摘要】
1.一种高强高导热率铁基合金的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：将原料粉末Ni粉和Al粉按照原子比为1:1进行配比后装入抽真空并充入氩气的球磨罐中进行球磨，运转/停止间隔时间30min，共计70h，得到细小均匀的B2结构的纳米NiAl粉体；
步骤二：42.50-48.50份Fe粉、42.50-48.50份步骤一制得的NiAl粉按照质量比为1:1进行配比后，加入3.00-15.00份AlN粉末，继续球磨混合5h，得到最终合金粉末，Fe粉、NiAl粉和AlN粉总计为100份；
步骤三：将步骤二中获得的合金粉末填入石墨模具中，通过热压烧结即形成所需的块体复合材料，烧结温度为1050℃，烧结压力为20MPa。

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【专利技术属性】
技术研发人员：白亚平，李建平，杨忠，成超，周瑾，王刚，
申请(专利权)人：西安工业大学，山东大柴缸体缸盖股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61