銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種制備銅基TiC/Al203復(fù)相陶瓷表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的方法。
技術(shù)背景
[0002]銅及銅合金由于其良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和塑性，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，例如風(fēng)口小套、連鑄結(jié)晶器、電觸頭材料等。由于其硬度較低，耐磨性差，導(dǎo)致工件更換或生產(chǎn)線(xiàn)頻繁維護(hù)，造成了巨大的能耗與經(jīng)濟(jì)損失。目前緩解零件在惡略工況下沖擊磨損的主要方法是表面強(qiáng)化技術(shù)，其具有低成本高性能的巨大優(yōu)勢(shì)。
[0003]目前表面強(qiáng)化技術(shù)主要有電鍍、多元共滲、熱噴涂、激光熔覆等，但是均存在強(qiáng)化層厚度較薄、強(qiáng)化層與基體結(jié)合強(qiáng)度低、強(qiáng)化層內(nèi)強(qiáng)化相體積分?jǐn)?shù)較低等缺陷，限制了工件性能的提高。通過(guò)反應(yīng)熔覆手段制備銅基表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的方式尚未見(jiàn)報(bào)道。
[0004]Al2O3顆粒與TiC顆粒同屬于陶瓷材料，具有很多相似的物理化學(xué)性能，如高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等特殊性能，是優(yōu)良的第二相增強(qiáng)體材料。TiCVAl2O3復(fù)相陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料能改善單一陶瓷增強(qiáng)相的不足，可提高強(qiáng)化層的強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性。
[0005]自蔓延高溫合成法是利用外部提供必要的能量誘發(fā)熱化學(xué)反應(yīng)，形成燃燒波，此后的反應(yīng)就可在之前反應(yīng)的熱量支持下繼續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)蔓延結(jié)束后形成所需的材料。采用自蔓延方法在金屬表面制備反應(yīng)熔覆陶瓷顆粒強(qiáng)化層，無(wú)需外界能源；產(chǎn)物均為原位生成，避免了外界的污染與夾雜，保證了力學(xué)與物理性能；高的放熱溫度使得產(chǎn)物為熔體，熔覆于金屬表面保證涂層的致密性以及強(qiáng)化層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，適于工業(yè)化批量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種制備鑄件銅基TiCAI2O3復(fù)相陶瓷表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的方法。此法的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、強(qiáng)化層性能優(yōu)異。
[0007]本發(fā)明的原理是:利用澆鑄過(guò)程中澆鑄液體的熱量引燃自蔓延反應(yīng)，原位生成TiCAI2O3陶瓷顆粒，熔覆于鑄件表面最終形成陶瓷強(qiáng)化層。
[0008]一種銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:利用銅液的高溫引發(fā)自蔓延反應(yīng):Fe203+Al = Fe+Al203，Ti+C = TiC，在銅基鑄件表面形成TiC/Al2O3復(fù)相陶瓷硬質(zhì)相；自蔓延反應(yīng)由澆鑄溫度引發(fā)，無(wú)需外界能源；產(chǎn)物均為原位生成，避免了外界的污染與夾雜，保證了力學(xué)與物理性能；高的放熱溫度使得產(chǎn)物為熔體，熔覆于金屬表面保證涂層的致密性以及強(qiáng)化層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，其具體步驟如下:
[0009]I)氧化鐵粉或氧化銅粉、銷(xiāo)粉、欽粉和石墨粉按照質(zhì)量比27-40 %: 18-30 %:30-40%:7.5-10%進(jìn)行配料，按照球料比2:1在球磨機(jī)中混合1_24小時(shí)制成混合粉末；
[0010]2)在混合均勻的粉末中加入粘結(jié)劑聚乙烯醇水溶液，粘結(jié)劑與混合粉末的質(zhì)量比為1:20-1:100，攪拌均勻制成膏狀涂料或直接在壓力200MPa下進(jìn)行壓制制成預(yù)制塊；
[0011]3)將膏狀涂料涂覆在鑄件EPS塑料泡沫模具的表面或涂覆于指定位置，或?qū)㈩A(yù)制塊粘貼在EPS塑料泡沫模具的表面或指定位置，并在30-50°C干燥1-10小時(shí)；
[0012]4)將步驟3)得到的鑄件模型外涂掛一層耐火防粘砂涂料，在40-50°C烘干4_20小時(shí)；
[0013]5)在中頻感應(yīng)電爐中熔煉銅液，進(jìn)行澆鑄，在銅基鑄件表面形成TiCVAl2O3復(fù)相陶瓷硬質(zhì)相；
[0014]6)鑄件冷卻至室溫后進(jìn)行后續(xù)熱處理或直接進(jìn)行表面清理、打磨，得到表面為自蔓延反應(yīng)熔覆TitVAi2O3復(fù)相陶瓷顆粒增強(qiáng)的銅基鑄件。
[0015]其中熔煉對(duì)象為純銅、黃銅或青銅；鑄造工藝為真空消失模鑄造；所用的粉末粒度為:氧化鐵粉或氧化銅粉1-50 μ m，鋁粉1-50 μ m，鈦粉1-50 μ m，石墨粉1-50 μ m ;粘結(jié)劑為3% wt的聚乙烯醇水溶液；壓制壓力為200MPa ;銅基鑄件表面涂層厚度為l_20mm ;銅基鑄件顆粒強(qiáng)化層包括銅粘結(jié)相、生成的中間合金相與分布其中的TiCAl2O3硬質(zhì)相顆粒，TiCVAl2O3硬質(zhì)相的體積百分?jǐn)?shù)為10-70%，中間合金相的體積百分?jǐn)?shù)為0-20%，其余為銅粘結(jié)相；顆粒強(qiáng)化層硬度為HRC30-40。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:反應(yīng)熔覆陶瓷強(qiáng)化層結(jié)合界面潔凈，具有較高的力學(xué)與物理性能；強(qiáng)化層的致密性以及界面的結(jié)合強(qiáng)度良好，在服役過(guò)程中表現(xiàn)出良好的耐磨耐蝕性。同時(shí)原料來(lái)源廣泛，降低了生產(chǎn)成本，真空消失模鑄造的引入進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率，適于工業(yè)化批量生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1:
[0018](I)稱(chēng)取平均粒度20-25 μ m的氧化鐵粉末4kg，35 μ m的鋁粉4kg，40-45 μ m的鈦粉4kg，40-45 μ m的石墨粉Ikg在球磨機(jī)中混料8小時(shí)；
[0019](2)在混合粉末中加入3% wt的聚乙烯醇水溶液600g，攪拌均勻制成膏狀涂料；
[0020](3)將膏狀涂料涂覆在EPS塑料泡沫模具表面或指定位置，涂覆層厚度為6mm，置于30°C環(huán)境中干燥3小時(shí)；
[0021](4)將步驟3得到的模具外掛3mm厚的石英砂粉防粘砂涂料，置于40°C環(huán)境中干燥4小時(shí)；
[0022](5)埋砂振動(dòng)造型，并對(duì)沙箱抽真空，真空度為0.07MPa，在中頻感應(yīng)爐中熔煉純銅液，進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度1300°C，利用澆鑄過(guò)程中銅液的熱量引燃自蔓延反應(yīng)；
[0023](6)鑄件埋砂冷卻，翻箱落砂，對(duì)表面打磨清理，即得到表面為自蔓延反應(yīng)熔覆TitVAi2O3復(fù)相陶瓷顆粒增強(qiáng)的鑄件，涂層與基體冶金結(jié)合，表面光潔致密，涂層厚度6.5mm，硬度 HRC32。
[0024]實(shí)施例2:
[0025](I)稱(chēng)取平均粒度20-25 μ m的氧化鐵粉末4kg，35 μ m的鋁粉4kg，40-45 μ m的鈦粉4kg，40-45 μ m的石墨粉Ikg在球磨機(jī)中混料8小時(shí)；；
[0026](2)將混合均勻的粉末置于鋼模中，在壓力為200MPa下進(jìn)行壓制得到預(yù)制塊；
[0027](3)將預(yù)制塊粘接在EPS塑料泡沫模具表面或指定位置，預(yù)制塊厚度為4mm，置于30 °C環(huán)境中干燥I小時(shí)；
[0028](4)將步驟3得到的模具外掛3_厚的石英砂粉防粘砂涂料，置于40°C環(huán)境中干燥4小時(shí)；
[0029](5)埋砂振動(dòng)造型，并對(duì)沙箱抽真空，真空度為0.07MPa，在中頻感應(yīng)爐中熔煉黃銅液，進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度1180°C，利用澆鑄過(guò)程中銅液的熱量引燃自蔓延反應(yīng)；
[0030](6)鑄件埋砂冷卻，翻箱落砂，對(duì)表面打磨清理，即得到表面為自蔓延反應(yīng)熔覆TitVAi2O3復(fù)相陶瓷顆粒增強(qiáng)的鑄件，涂層與基體冶金結(jié)合，表面光潔致密，涂層厚度4.2_，硬度 HRC40。
[0031]實(shí)施例3:
[0032](I)稱(chēng)取平均粒度20-25 μ m的氧化銅粉末4kg，35 μ m的鋁粉2kg，40-45 μ m的鈦粉4kg，40-45 μ m的石墨粉Ikg在球磨機(jī)中混料6小時(shí)；；
[0033](2)在混合粉末中加入3% wt的聚乙烯醇水溶液500g，攪拌均勻制成膏狀涂料；
[0034](3)將預(yù)制塊粘接在EPS塑料泡沫模具表面或指定位置，預(yù)制塊厚度為5mm，置于30°C環(huán)境中干燥4小時(shí)；
[0035](4)將步驟3得到的模具外掛3_厚的石英砂粉防粘砂涂料，置于40°C環(huán)境中干燥4小時(shí)；
[0036](5)埋砂振動(dòng)造型，并對(duì)沙箱抽真空，真空度為0.07MPa，在中頻感應(yīng)爐中熔煉鋁青銅液，進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度1250°C，利用澆鑄過(guò)程中銅液的熱量引燃自蔓延反應(yīng)；
[0037](6)鑄件埋砂冷卻，翻箱落砂，進(jìn)行退火處理，熱處理機(jī)制為700°C X 2h,空冷。對(duì)表面打磨清理，即得到表面為自蔓延反應(yīng)熔覆TitVAi2O3復(fù)相陶瓷顆粒增強(qiáng)的鑄件，涂層與基體冶金結(jié)合，表面光潔致密，涂層厚度5.4mm，硬度HRC31。
[0038]上述制備的銅基TiCAl2O3復(fù)相陶瓷表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料，工藝簡(jiǎn)單，表面強(qiáng)化層硬質(zhì)相分布均勻，與基體結(jié)合良好，具有較好的高溫性能和較高的強(qiáng)度硬度和耐磨性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:利用銅液的高溫引發(fā)自蔓延反應(yīng)，在銅基鑄件表面形成TiCVAI2O3復(fù)相陶瓷硬質(zhì)相；高的放熱溫度使得產(chǎn)物為熔體，熔覆于金屬表面保證涂層的致密性以及強(qiáng)化層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，其具體步驟如下: 1)氧化鐵粉或氧化銅粉、銷(xiāo)粉、欽粉和石墨粉按照質(zhì)量比27-40%:18-30%:30-40%:7.5-10%進(jìn)行配料，按照球料比2:1在球磨機(jī)中混合1-24小時(shí)制成混合粉末； 2)在混合均勻的粉末中加入粘結(jié)劑聚乙烯醇水溶液，粘結(jié)劑與混合粉末的質(zhì)量比為1:20-1:100，攪拌均勻制成膏狀涂料或直接在壓力200MPa下進(jìn)行壓制制成預(yù)制塊； 3)將膏狀涂料涂覆在鑄件EPS塑料泡沫模具的表面或涂覆于指定位置，或?qū)㈩A(yù)制塊粘貼在EPS塑料泡沫模具的表面或指定位置，并在30-50°C干燥1-10小時(shí)； 4)將步驟3)得到的鑄件模型外涂掛一層耐火防粘砂涂料，在40-50°C烘干4-20小時(shí)； 5)在中頻感應(yīng)電爐中熔煉銅液，進(jìn)行澆鑄，在銅基鑄件表面形成TiCVAl2O3復(fù)相陶瓷硬質(zhì)相； 6)鑄件冷卻至室溫后進(jìn)行后續(xù)熱處理或直接進(jìn)行表面清理、打磨，得到表面為自蔓延反應(yīng)熔覆TiCVAl2O3復(fù)相陶瓷顆粒增強(qiáng)的鑄件。2.按照權(quán)利要求1所述銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所熔煉銅液為純銅、黃銅或青銅。3.按照權(quán)利要求1所述銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:鑄造工藝為真空消失模鑄造。4.按照權(quán)利要求1所述銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:使用的自蔓延反應(yīng)粉末的粒度為氧化鐵粉或氧化銅粉1-50 μ m，鋁粉1-50 μ m，鈦粉 1_30μπι，石墨粉 1_30μπι。5.按照權(quán)利要求1所述銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:粘結(jié)劑為3% wt的聚乙烯醇水溶液。6.按照權(quán)利要求1所述銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:銅基鑄件表面顆粒強(qiáng)化層厚度為l_20mm。7.按照權(quán)利要求1所述反應(yīng)所述銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:鑄件顆粒強(qiáng)化層包括銅粘結(jié)相、生成的中間合金相與分布其中的TiC/Al2O3硬質(zhì)相顆粒，TiC/Al 203硬質(zhì)相的體積百分?jǐn)?shù)為10-70%，中間合金相的體積百分?jǐn)?shù)為0-20%，其余為銅粘結(jié)相；顆粒強(qiáng)化層硬度為HRC30-40。
【專(zhuān)利摘要】一種銅基碳化鈦/氧化鋁表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的制備方法，屬于金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。首先配置表面強(qiáng)化層粉末，為自蔓延反應(yīng)體系粉末。然后，添加聚乙烯醇水溶液均勻攪拌，將表面強(qiáng)化層粉末混合成膏狀或壓制成預(yù)制塊，涂覆或粘結(jié)于EPS塑料泡沫模樣表面，經(jīng)涂掛耐火涂料后干燥，進(jìn)行銅液熔煉、埋砂澆鑄得到銅基TiC/Al2O3復(fù)相陶瓷表面顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料。該方法的特點(diǎn)是通過(guò)澆鑄熱量引發(fā)表面強(qiáng)化層粉末的自蔓延反應(yīng)，由于產(chǎn)物原位生成，避免了外界的污染與夾雜，保證了強(qiáng)化區(qū)域的力學(xué)與物理性能；自蔓延反應(yīng)的高放熱溫度使得產(chǎn)物為熔體，熔覆于金屬表面既保證強(qiáng)化涂層的致密性，同時(shí)保證強(qiáng)化層與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。
【IPC分類(lèi)】B22D19/02
【公開(kāi)號(hào)】CN104942268
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510236852
【發(fā)明人】郭志猛, 石韜, 羅驥, 郝俊杰, 葉安平, 楊芳
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年5月11日