CN109487110B - 一种原位自生Al2O3颗粒增强钢基表面复合材料用预制体、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体、制备方法及应用。该预制体的制备包括：1)取氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉和硼砂混合均匀，得到混合粉末；2)向混合粉末中加入粘结剂，混合均匀，压制成坯块；3)将坯块在保护气氛下干燥，即得预制体。该预制体以氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉和硼砂为原料制成，铸渗时，利用Cr₂O₃与Al的铝热反应在钢基体表面原位自生Al₂O₃颗粒，铝热反应放出的热量促进了铸渗层与基体间的扩散，使铸渗层达到冶金结合，最终在金属基体表面形成一层与基体结合良好的铸渗层，铸渗层中富含铬的碳化物和Al₂O₃颗粒，因而可以显著提高铸渗层的硬度和耐磨性。

Description

一种原位自生Al2O3颗粒增强钢基表面复合材料用预制体、制 备方法及应用

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，具体涉及一种原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体、制备方法及应用。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料是一种以金属或合金为基体，以陶瓷颗粒为增强相的多功能复合材料，具有高比强度、高韧性、高耐磨性等优良性能，一般是作为耐磨、耐蚀、耐热材料进行开发和应用。

颗粒增强相进入基体的方式有外加或自生两种。外加方式常采用粉末冶金、离心铸造、负压铸造等方法，这类方法最大的缺点是颗粒增强相与基体之间的相容性差，导致与基体的结合不良，在使用过程中容易造成材料的失效。自生方式是采用原位反应合成法，在金属基体中原位生成增强相，增强相的表面无污染，与基体的界面结合强度高，能够在不改变基体高韧性的前提下，提高特定部位的耐磨性等性能。

公布号为CN102676956A的中国专利申请公开了一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法，其是将Al、Fe₂O₃、Cr₂O₃粉末均匀混合，在压力下压制成粉末坯料，然后对粉末坯料进行预烧结，即在氮气保护下将粉末坯料在120-150℃预热30-40min，再在600-700℃对粉末坯料加热20-30min，将经过预烧结的混合物进行破碎和筛分，获得0.3-3mm的粉末混合物预烧结颗粒，再通过粘结剂(如水玻璃)粘结制成多孔的预成型体并放置在待复合的位置，最后合型浇注，在铁水或者钢水的作用下预成型体发生反应并与铁水或钢水复合，形成铁基复合材料。采用该方法制备预成型体存在以下问题：(1)工艺较为复杂；(2)预制体基本成分为铝热反应剂，浇铸过程中反应过于剧烈，Al₂O₃颗粒尺寸在剧烈反应过程中容易长大，降低了其与基体的结合强度；同时，Fe₂O₃在剧烈反应条件下会分解为Fe₃O₄和O₂，生成的游离氧增加了反应的危险性；(3)采用水玻璃为粘结剂，其在浇铸过程中不易分解，容易残留于铸件中，影响材料的性能。

综合来看，采用现有铸渗工艺制备复合材料的过程中，金属基体与铸渗层的扩散渗透质量较差，铸渗层的缺陷较多，导致铸渗层的硬度和耐磨性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，以解决利用现有预制体通过铸渗工艺制备的复合材料中，铸渗层的硬度和耐磨性较差的问题。

本发明的第二个目的在于提供一种原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体的制备方法，以解决铸渗工艺制备的复合材料中，铸渗层的硬度和耐磨性较差的问题。

本发明的第三个目的在于提供一种预制体在制备钢基表面复合材料方面的应用，以解决现有复合材料铸渗层的硬度和耐磨性有待改善的问题。

为实现上述目的，本发明的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体的技术方案是：

一种原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，由包括以下步骤的方法制备得到：

1)取氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉和硼砂混合均匀，得到混合粉末；氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉与硼砂的质量比为6:13:(70-80):(3-8)；

2)向混合粉末中加入粘结剂，混合均匀，压制成坯块；

3)将坯块在保护气氛下干燥，即得预制体。

本发明提供的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，以氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉和硼砂为原料制成，铸渗时，利用Cr₂O₃与Al的铝热反应在钢基体表面原位自生Al₂O₃颗粒，Al₂O₃颗粒在金属基体中原位形核、长大，形成热力学稳定相，另外，高碳铬铁粉的存在稀释了铝热反应剂的浓度，降低了铸渗过程中铝热反应的剧烈程度，并且铝热反应放出的热量促进了铸渗层与基体间的扩散，使铸渗层达到冶金结合，最终在金属基体表面形成一层与基体结合良好的铸渗层，铸渗层中富含铬的碳化物和Al₂O₃颗粒，因而可以显著提高铸渗层的硬度和耐磨性。

为便于混合粉末的熔融并利于后续铸渗工艺的进行，优选的，步骤1)中，所述混合粉末的粒度为100-150目。

为避免在铸渗层中形成夹渣等铸造缺陷，提高铸渗层质量，优选的，步骤2) 中，所述粘结剂为酒精和酚醛树脂按质量比1:(1.5-2.5)组成的混合物。从提高粘结质量和避免引入过多气化气体方面考虑，优选的，步骤2)中，所述粘结剂与混合粉末的质量比1:(10-20)。

为获得性能更加良好的铸渗层，避免在铸渗过程中发生破碎或不利于金属液渗透的进行，优选的，步骤2)中，所述坯块的致密度为70-80％。

为进一步提高干燥效率，优选的，步骤3)中，所述干燥的温度为100-120℃，时间为2-5h。

本发明的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体的制备方法所采用的技术方案是：

一种原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体的制备方法，包括以下步骤：

1)取氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉和硼砂混合均匀，得到混合粉末；氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉与硼砂的质量比为6:13:(70-80):(3-8)；

2)向混合粉末中加入粘结剂，混合均匀，压制成坯块；

3)将坯块在保护气氛下干燥，即得预制体。

本发明提供的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体的制备方法，以氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉和硼砂为原料制备预制体，铸渗时，利用 Cr₂O₃与Al的铝热反应在钢基体表面原位自生Al₂O₃颗粒，高碳铬铁粉的存在稀释了铝热反应剂的浓度，降低了铝热反应的剧烈程度，铝热反应放出的热量又可促进高碳铬铁与基体的扩散，使铸渗层达到冶金结合，最终在金属基体表面形成一层与基体结合良好的铸渗层，铸渗层中富含铬的碳化物和Al₂O₃颗粒，因而可以显著提高铸渗层的硬度和耐磨性。

本发明的预制体在制备钢基表面复合材料方面的应用所采用的技术方案是：

一种预制体在制备钢基表面复合材料方面的应用，包括以下步骤：将预制体安装在铸型型腔内，预制体表面与型腔表面围成浇注空间，向浇注空间内浇注金属液，经冷却凝固形成金属基体和与金属基体铸渗复合的铸渗层。

本发明提供的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料，利用金属液提供的高热量引燃Cr₂O₃与Al的铝热反应，铝热反应放出大量热量，使后续铝热反应持续进行，并且促进了高碳铬铁粉的熔化以及金属基体和预制体之间的扩散渗透，提高铸渗层与基体的结合强度。利用铝热反应还可以生成纯铬，可进一步生成硬质的碳化铬，提高复合材料的硬度和耐磨性。

为进一步提高金属基体和预制体之间的扩散渗透作用，从而进一步强化铸渗层与金属基体的结合强度，优选的，所述金属液的材料为中碳钢或低合金中碳钢。

为进一步提高铸渗层的形成质量，减少粗大晶粒的形成，提高铸渗层与金属基体的冶金结合质量，优选的，所述金属液的温度为1550-1600℃。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，酚醛树脂的型号为2123，购自无锡久耐防腐材料有限公司。氧化铬粉的粒度为150 目；铝粉的粒度为120目；高碳铬铁粉的粒度为100目。

预制体制备时，保护气氛的作用在于防止铝在干燥过程中被氧化，其可以为真空环境、惰性气体等，优选的，步骤3)中，预制体在真空干燥箱中进行干燥。

本发明的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体实施例1，采用以下步骤进行制备：

1)称取氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉(高碳铬铁粉中各成分的质量组成为： Cr52％，Fe 42％，C 6％)和硼砂各6g、13g、80g和7g，在混料机上混合均匀，得到混合粉末；向混合粉末中加入3g酒精和6g酚醛树脂混合均匀，然后在模具中压制成坯块(坯块的尺寸为60×60×5mm³，压制条件为150MPa)，控制坯块的致密度为70％。

2)将坯块放置于真空干燥箱中，以1.2℃/min的速率升温至105℃，干燥2h，然后随炉冷却至室温，即得预制体。

本发明的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体实施例2，采用以下步骤进行制备：

1)称取氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉(高碳铬铁粉中各成分的质量组成为： Cr52％，Fe 42％，C 6％)和硼砂各6g、13g、70g和3g，在混料机上混合均匀，得到混合粉末；向混合粉末中加入2g酒精和4g酚醛树脂混合均匀，然后在模具中压制成坯块(坯块的尺寸为150×150×10mm³，压制条件为250MPa)，控制坯块的致密度为80％。

2)将坯块放置于真空干燥箱中，以1℃/min的速率升温至110℃，干燥4h，然后随炉冷却至室温，即得预制体。

本发明的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体实施例3，采用以下步骤进行制备：

1)称取氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉(高碳铬铁粉中各成分的质量组成为： Cr52％，Fe 42％，C 6％)和硼砂各6g、13g、75g和5g，在混料机上混合均匀，得到混合粉末；向混合粉末中加入2g酒精和4g酚醛树脂混合均匀，然后在模具中压制成坯块(坯块的尺寸为100×100×8mm³，坯块的压制条件为200MPa)，控制坯块的致密度为75％。

2)将坯块放置于真空干燥箱中，以1.5℃/min的速率升温至120℃，干燥4h，然后随炉冷却至室温，即得预制体。

本发明的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体的制备方法实施例1-3，与上述预制体实施例1-3中的制备步骤相同。

本发明的预制体在制备钢基表面复合材料方面的应用实施例1，包括以下步骤：将实施例1的预制体安装在铸型型腔内，预制体表面与型腔表面围成浇注空间，向浇注空间内浇注1550℃的45钢钢液，经空冷后即可形成钢基体和与钢基体铸渗复合的铸渗层。

本发明的预制体在制备钢基表面复合材料方面的应用实施例2，包括以下步骤：将实施例2的预制体安装在铸型型腔内，预制体表面与型腔表面围成浇注空间，向浇注空间内浇注1600℃的35钢钢液，经空冷后即可形成钢基体和与钢基体铸渗复合的铸渗层。

本发明的预制体在制备钢基表面复合材料方面的应用实施例3，包括以下步骤：将实施例3的预制体安装在铸型型腔内，预制体表面与型腔表面围成浇注空间，向浇注空间内浇注1570℃的31Mn2Si钢液，经空冷后即可形成钢基体和与钢基体铸渗复合的铸渗层。

试验例

本试验例在洛氏硬度计上检测应用实施例1-3涉及的钢基表面复合材料的洛氏硬度。在HSR-2M高速往复摩擦磨损试验机进行干摩擦磨损试验，对磨偶件为GCr15钢球，对磨偶件转速为600r/min，加载载荷为60N，磨损时间为15min，测量试样减重，并以高铬铸铁为对比试样，将其相对耐磨性设置为1，测试应用实施例1-3涉及的钢基表面复合材料的相对耐磨性。

应用实施例1-3涉及的钢基表面复合材料的洛氏硬度和相对耐磨性测试结果见表1。

表1钢基表面复合材料的硬度和耐磨性检测结果

项目	洛氏硬度(HRC)	相对耐磨性
			实施例1	60.5	1.35
实施例2	59.6	1.31
			实施例3	61.3	1.40

由表1的结果可知，实施例的钢基表面复合材料的铸渗层硬度为59.6-61.3 HRC，耐磨性比传统的高铬铸铁耐磨材料提升31-40％，在试验过程中，实施例的铸渗层与基体的结合良好，相应的铸渗层基于铬的碳化物和Al₂O₃颗粒的存在，表现出良好的硬度和耐磨性。

Claims (10)

1.一种原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，其特征在于，由包括以下步骤的方法制备得到：

1）取氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉和硼砂混合均匀，得到混合粉末；氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉与硼砂的质量比为6:13:(70-80):(3-8)；

2）向混合粉末中加入粘结剂，混合均匀，压制成坯块；

3）将坯块在保护气氛下干燥，即得预制体。

2.如权利要求1所述的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，其特征在于，步骤1）中，所述混合粉末的粒度为100-150目。

3.如权利要求1所述的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，其特征在于，步骤2）中，所述粘结剂为酒精和酚醛树脂按质量比1:(1.5-2.5)组成的混合物。

4.如权利要求1或3所述的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，其特征在于，步骤2）中，所述粘结剂与混合粉末的质量比1:(10-20)。

5.如权利要求1所述的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，其特征在于，步骤2）中，所述坯块的致密度为70-80%。

6.如权利要求1所述的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体，其特征在于，步骤3）中，所述干燥的温度为100-120℃，时间为2-5h。

7.一种原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）取氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉和硼砂混合均匀，得到混合粉末；氧化铬粉、铝粉、高碳铬铁粉与硼砂的质量比为6:13:(70-80):(3-8)；

2）向混合粉末中加入粘结剂，混合均匀，压制成坯块；

3）将坯块在保护气氛下干燥，即得预制体。

8.一种如权利要求1所述的原位自生Al₂O₃颗粒增强钢基表面复合材料用预制体在制备钢基表面复合材料方面的应用，其特征在于，包括以下步骤：将预制体安装在铸型型腔内，预制体表面与型腔表面围成浇注空间，向浇注空间内浇注金属液，经冷却凝固形成金属基体和与金属基体铸渗复合的铸渗层。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述金属液的材料为中碳钢。

10.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述金属液的温度为1550-1600℃。