CN101214539A - TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料的制备方法 - Google Patents

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TiC颗粒局部增强锰钢复合材料的制备方法，其特征在于将Cu－Ti－C体系在金属液内原位自蔓延反应合成TiC陶瓷颗粒的方法与铸造法相结合，在部件容易失效的部位进行TiC颗粒局部增强，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难题。其工艺过程包括反应预制块的制备和型内自蔓延原位反应合成两个阶段。在铸件需增强的部位放置已抽真空除气处理的Cu－Ti－C预制块，浇注锰钢钢液，依靠浇入钢液的高温点燃预制块的自蔓延反应，制备TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料。本发明制备的TiC颗粒局部增强锰钢复合材料，具有良好的耐磨性与强韧性等综合性能，可广泛适用于冲击磨粒磨损工况条件下服役的各类抗磨部件。

Description

TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料的制备方法，特别涉及一种TiC颗粒局部增强锰钢复合材料的制备方法。
背景技术
目前，奥氏体锰钢是抵抗强冲击载荷下磨料磨损常用的耐磨材料，问世至今已有100多年的历史，一直是应用最广泛的重要耐磨材料。其特点是具有高的韧性和低的硬度，但在经受较强冲击时表层会产生加工硬化，此时才表现出良好的耐磨性，因而是在强烈冲击磨粒磨损工况条件下使用的抗磨材料；而对其它大多数工况则显得韧性有余而硬度不足，初始磨损严重，尤其在中、低冲击磨粒磨损工况下因不能充分加工硬化而耐磨性不高。因此，在不降低其韧性的前提下提高其耐磨性和硬度，或提高其在中、低冲击磨损工况下的加工硬化能力是迫切解决的问题。目前国内外提高锰钢耐磨性和硬度多采用合金化和弥散强化热处理的方法，并取得了一定的成果，但硬度和耐磨性的提高有限，难以满足使用要求。金属基复合材料由于把增强体的高强度、高硬度、高耐磨性与金属基体的高延展性、高韧性结合在一起，可提供传统单一材料所不具备的强、韧结合的优良的综合性能，较好地解决硬度和韧性的矛盾，因而，采用金属基复合材料来满足各种工况条件的使用要求已成为世人所关注的研究热点。
然而，对于颗粒增强金属基复合材料在以往的发明专利和研究中，多数采用整体增强(如中国专利，专利号：ZL98101890.4)。但在很多实际场合下，并不要求整体材料(整个零件)都进行颗粒增强。如反击式破碎机板锤的磨损主要发生在棱面、锤式破碎机锤头的磨损主要发生在锤头的端部、挖掘机铲齿的磨损仅发生在齿尖等，而其它承受冲击载荷的部分则需要具有非常好的强韧性。在专利号为ZL02109101.3的中国发明专利中，公开了一种局部原位内生颗粒增强钢基复合材料的制备方法，该方法采用Al-Ti-C体系燃烧合成TiC陶瓷颗粒，由于Al的沸点较低，容易气化，因此，采用该体系制备的TiC颗粒局部增强钢基复合材料极易产生气孔，从而导致其综合性能下降。因此，采用Cu-Ti-C体系燃烧合成与传统铸造法相结合制备TiC颗粒局部增强锰钢基复合材料的工艺被提出，这种工艺解决了颗粒体积分数超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，又降低了生产成本。此外这种工艺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关键难题，即在易磨损、易高温软化、易疲劳失效等部位为大体积分数的陶瓷颗粒，而非上述失效部位的金属基体具有高的强韧性的设计思想。
技术内容
本发明的目的在于克服现有颗粒局部增强钢基复合材料制备工艺存在的不足，提供一种将Cu-Ti-C体系在金属液内原位自蔓延燃烧合成法与铸造法相结合的TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料的制备方法。
实现本发明的上述目的所采取的技术方案是：
一种TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料的制备方法，其工艺过程包括反应预制块的制备和型内自蔓延原位反应合成两个阶段：
反应预制块的制备：
a.配料：Cu-Ti-C体系预制块由原材料为粉末状的Cu粉、Ti粉和C粉组成，其中，Cu质量百分比为10～60，C和Ti的摩尔比为C∶Ti＝1，粉末粒度为6～50微米；
b.混料：将上述配制好的粉料放入低速混料机中，混合8小时，混合均匀；
c.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，预制块紧实率为75±5％；
d.预制块的真空除气处理：将压制好的预制块放入低真空加热装置内，以15℃/分钟的加热速率加热至300℃，除气3小时；
型内自蔓延原位反应合成TiC增强颗粒：
a.基体钢液要求：为了能够引燃预制块发生自蔓延高温反应合成TiC增强颗粒，钢液温度保证在1450℃以上；
b.预制块在铸型内的放置：在铸件需增强的部位放置已真空除气处理的Cu-Ti-C预制块；
c.浇铸基体钢液，制备TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料。
该方案是将Cu-Ti-C体系在金属液内原位自蔓延燃烧合成法与铸造法相结合，即将自蔓延反应预制块放置在铸件使用时易失效部位(如锤式破碎机锤头的端部和挖掘机铲齿的尖部)，依靠浇入金属液的高温，点燃放置在型内的自蔓延反应预制块，进行自蔓延燃烧合成增强相，制备出TiC颗粒局部区域(局部区域-零件使用时的失效部位)增强的锰钢复合材料，使其制作的机械部件既具有高韧性的基体，又具有高硬度、高强度、耐磨损的工作部位，大幅度提高锰钢的综合性能。此外，局部增强区域中的增强相TiC的形成是通过金属液的高温点燃Cu-Ti-C预制块的自蔓延反应，其中Cu的加入不但降低了反应合成TiC的反应温度，而且大量的研究工作已证实基体锰钢中由于少量Cu的加入，可以抑制碳化物在晶界上的析出。
本发明与目前已有的技术相比具有以下突出优点：
1、工艺简化，成本降低，易于进行大规模生产和应用。本工艺将金属液内原位自蔓延燃烧合成法与铸造法相结合，即将自蔓延反应预制块放置在铸件使用时易失效部位，依靠浇入金属液的高温，点燃放置在型内的自蔓延反应预制块反应合成TiC增强相，制备出TiC颗粒局部区域增强的锰钢复合材料，工艺简单。同时，该工艺解决了颗粒整体增强时颗粒的浪费问题，降低了成本；
2、局部增强部位的TiC颗粒体积分数高，并可实现大范围内可调。本发明的TiC颗粒增强相是在钢液浇注到铸型内引发预制块自蔓延反应形成的，不影响钢液的流动性，解决了颗粒体积分数超过10％时，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、在局部增强区域采用Cu-Ti-C体系预制块自蔓延反应合成TiC增强相，其中Cu的加入不但降低了合成TiC的反应温度，而且在基体锰钢中Cu的存在可以抑制碳化物在晶界上的析出。
附图说明
图1预制块在铸型内放置的示意图；
图2 20wt.％Cu-Ti-C体系制备的TiC颗粒局部增强锰钢复合材料增强区的微观组织；
图3 20wt.％Cu-Ti-C体系制备的TiC颗粒局部增强锰钢复合材料增强区的X射线衍射分析；
图4 40wt.％Cu-Ti-C体系制备的TiC颗粒局部增强锰钢复合材料增强区的微观组织；
图5 40wt.％Cu-Ti-C体系制备的TiC颗粒局部增强锰钢复合材料增强区的X射线衍射分析。
图中：A-增强区(例如挖掘机铲齿的齿尖部分)  B-预制块  C-锰钢基体(例如挖掘机铲齿的齿库部分)  D-铸型  E-内浇口  F-向铸型浇入钢液的浇口
具体实施方式
实施例1
10wt.％Cu-Ti-C体系制备的TiC颗粒局部增强锰钢基复合材料将Cu粉(粒度小于6微米)，Ti粉(粒度小于15微米)和C粉(粒度小于50微米)按C和Ti摩尔比C∶Ti＝1，Cu含量为10wt.％的比例进行配比，将上述配制好的粉料放入低速混料机中，混合8小时，在室温下压制成Ф22×10mm的圆柱形反应预制块，预制块紧实率为75±5％；将压制好的预制块放入低真空加热装置内，以15℃/分钟的加热速率加热至300℃，进行真空除气3小时；将反应预制块取出，放置在铸型中铸件需要增强的部位。基体为锰钢(化学成分质量百分比为：C，0.5～1.5，Mn，5.0～25.0，Si＜1.0，P＜0.1，S＜0.1)，将锰钢钢液浇入铸型内，依靠钢液的高温，点燃放置在型内的Cu-Ti-C体系预制块，发生自蔓延反应，从而制备出TiC颗粒局部增强锰钢复合材料。制备出的TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料的硬度和耐磨性得到了很大提高，参阅表1。
表1复合材料增强区和基体的硬度与耐磨性
材料 基体     局部增强区(Cu含量，wt.％)
    10     20     30     40     50
    硬度(HRC)体积磨损量(10-10m3/m)     ＜202.3     47.21.9     35.71.5     30.81.2     28.71.1     26.51.7
实施例2
20wt.％Cu-Ti-C体系制备的TiC颗粒局部增强锰钢基复合材料
将Cu粉(粒度小于6微米)，Ti粉(粒度小于15微米)和C粉(粒度小于38微米)按C和Ti摩尔比C∶Ti＝1，Cu含量为20wt.％的比例进行配比，将上述配制好的粉料放入低速混料机中，混合8小时，在室温下压制成Ф22×10mm的圆柱形反应预制块，预制块紧实率为75±5％；将压制好的预制块放入低真空加热装置内，以15℃/分钟的加热速率加热至300℃，进行真空除气3小时；将反应预制块取出放置在铸型中铸件需要增强的部位。基体为锰钢(化学成分质量百分比为：C，0.6～1.4，Mn，6.0～20.0，Si＜1.0，P＜0.1，S＜0.1)，将锰钢钢液浇入铸型内，依靠钢液的高温，点燃放置在型内的Cu-Ti-C体系预制块，发生自蔓延反应，从而制备出TiC颗粒局部增强锰钢复合材料，其增强区的微观组织和XRD分析参阅图2和图3所示。
实施例3
40wt.％Cu-Ti-C体系制备的TiC颗粒局部增强锰钢基复合材料
将Cu粉(粒度小于6微米)，Ti粉(粒度小于15微米)和C粉(粒度小于38微米)按C和Ti摩尔比C∶Ti＝1，Cu含量为40wt.％的比例进行配比，将上述配制好的粉料放入低速混料机中，混合8小时，在室温下压制成Ф22×10mm的圆柱形反应预制块，预制块紧实率为75±5％；将压制好的预制块放入低真空加热装置内，以15℃/分钟的加热速率加热至300℃，进行真空除气3小时；将反应预制块取出放置在铸型中铸件需要增强的部位。基体为锰钢(化学成分质量百分比为：C，0.7～1.3，Mn，7.0～13.0，Si＜1.0，P＜0.1，S＜0.1)，将锰钢钢液浇入铸型内，依靠钢液的高温，点燃放置在型内的Cu-Ti-C体系预制块，发生自蔓延反应，从而制备出TiC颗粒局部增强锰钢复合材料，其增强区的微观组织和XRD分析参阅图4和图5所示。
实施例4
60wt.％Cu-Ti-C体系制备的TiC颗粒局部增强锰钢基复合材料
将Cu粉(粒度小于6微米)，Ti粉(粒度小于15微米)和C粉(粒度小于50微米)按C和Ti摩尔比C∶Ti＝1，Cu含量为60wt.％的比例进行配比，将上述配制好的粉料放入低速混料机中，混合8小时，在室温下压制成Ф22×10mm的圆柱形反应预制块，预制块紧实率为75±5％；将压制好的预制块放入低真空加热装置内，以15℃/分钟的加热速率加热至300℃，进行真空除气3小时；将反应预制块取出放置在铸型中铸件需要增强的部位。基体为锰钢(化学成分质量百分比为：C，0.7～1.2，Mn，9.0～13.0，Si＜1.0，P＜0.1，S＜0.1)，将锰钢钢液浇入铸型内，依靠钢液的高温，点燃放置在型内的Cu-Ti-C体系预制块，发生自蔓延反应，从而制备出TiC颗粒局部增强锰钢复合材料。

Claims (1)

1.一种TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料的制备方法，其特征在于工艺过程包括反应预制块的制备和型内自蔓延原位反应合成两个阶段：
反应预制块的制备：
a.配料：Cu-Ti-C体系预制块由原材料为粉末状的Cu粉、Ti粉和C粉组成，其中，Cu质量百分比为10～60，C和Ti的摩尔比为C∶Ti＝1，粉末粒度为6～50微米；
b.混料：将上述配制好的粉料放入低速混料机中，混合8小时，混合均匀；
c.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，预制块紧实率为75±5％；
d.预制块的真空除气处理：将压制好的预制块放入低真空加热装置内，以15℃/分钟的加热速率加热至300℃，除气3小时；
型内自蔓延原位反应合成TiC增强颗粒：
a.基体钢液要求：为了能够引燃预制块发生自蔓延高温反应合成TiC增强颗粒，钢液温度保证在1450℃以上；
b.预制块在铸型内的放置：在铸件需增强的部位放置已真空除气处理的Cu-Ti-C预制块；
c.浇铸基体钢液，制备TiC颗粒局部增强耐磨锰钢复合材料。
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