CN101705384A - 感应加热辅助自蔓延反应制备金属陶瓷基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种感应加热辅助自蔓延反应制备金属陶瓷基复合材料的方法，所述方法是利用自蔓延反应原理，取两种或两种以上能进行自蔓延反应的粉末，按化学计量配制，并加入一定比列的金属粉末形成复合材料；混匀后压制成预制件；采用高频感应加热并点燃预制件，使其发生自蔓延反应，生成金属陶瓷基复合材料；在反应结束后的2-3秒钟，进行模压，从而获得金属陶瓷基复合材料。本发明的优点是：1)燃烧完全，制备的金属陶瓷材料表面光滑、致密、强度高、气孔率低；2)热利用效率高，材料制备成本低；3)易于控制，安全可靠。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种高频感应加热辅助自蔓延反应制备金属陶瓷基复合材料的方法。属于材料加工工程技术领域。
(二)背景技术
近年来，随着陶瓷材料的大规模研究开发，陶瓷加工工艺技术也越来越引起人们的关注。
电磁感应加热技术简称为IH(Induction Heating)技术，是在法拉第感应定律的基础上发展起来的，是法拉第感应定律的一种应用形式。它具有加热速度快、加热效率高、无污染等优点，在家电、淬火、焊接等领域得到广泛的应用。
电磁感应加热技术是利用高频电加热原理，将交流电转化为高频电流，产生高频磁场，当磁场内磁力线通过绝缘板作用在铁质容器外壳时，磁力线被切割，产生大量小涡流，使铁质容器的自身迅速发热，从而达到加热的目的。它较目前家电中常用的电热丝加热技术、远红外加热技术、微波加热技术等具有无可比拟的优越性。
感应加热技术的优点：
1、具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制；
2、易于实现高功率密集，加热速度快，效率高；
3、加热温度高，加热温度易于控制；
4、加热温度由工件表面向内部传导或渗透；
5、采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺入杂质；
6、工件材料耗损小，氧化皮生成少；
7、作业环境符合环保要求；
8、易于加热自动化。
在本发明作出以前，以往制备金属陶瓷基复合材料的方法通常是采用单一自蔓延法，单一自蔓延法在制作较大制件时反应不完全，容易出现烧不透的缺陷。
(三)发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的大体积自蔓延预制件反应不完全的不足，提供一种可以提高预制件自蔓延反应的完全性的感应加热辅助自蔓延反应制备金属陶瓷基复合材料的方法。
本发明的目的是这样实现的：一种感应加热辅助自蔓延反应制备金属陶瓷基复合材料的方法，所述方法是利用自蔓延反应原理，取两种或两种以上能进行自蔓延反应的粉末，按化学计量配制，并加入一定比列的金属粉末形成复合材料；混匀后压制成预制件；采用高频感应加热并点燃预制件，使其发生自蔓延反应，生成金属陶瓷基复合材料；在自蔓延反应结束后的2-3秒钟，进行模压，从而获得金属陶瓷基复合材料。所述方法包括以下工艺过程：
步骤一、按化学计量配比要求配制复合粉料
复合粉料由Ti粉、C粉和Fe粉组成。其中，Ti与C按化学计量配比配制，Fe粉加入量为复合粉料总重量的30wt％。
步骤二、混料
将Ti粉、C粉和Fe粉直接放入搅拌机中干混合2～4小时，配制出需要的混合粉料；
步骤三、压制预制件；
将步骤二制得的混合粉料置于模具中，在压力机上压制成预制件；
步骤四、高频电磁感应加热辅助自蔓延热压；
利用高频感应加热炉，采用电流60-80A，电压220V对预制件加热和点燃，使其发生自蔓延反应生成TiCFe复合材料，待完全反应后的2～3秒，反应产物处于触变状态时，对其加压并保压1-2分钟，提高其致密度和强度，制成制件；
步骤五、为防止制件热应力过大产生开裂，制件埋入砂中冷却。
本发明的基本构思：依据自蔓延(SHS)反应是高放热化学反应过程的原理，并把电磁感应加热原理、SHS技术与热模锻技术结合起来，使SHS反应能够充分进行，生成金属陶瓷基复合材料。通过随后的热模锻触变成形，使其致密化。这里用高频感应加热方式点燃复合材料并使其发生自蔓延反应。由于这一化学反应过程在感应加热及材料自身放出的高热能的共同作用下进行，所以在反应的同时能够保持陶瓷粉料、金属添加物处于熔融态，将SHS反应蔓延到整个复合材料，使生成的陶瓷组分与熔融金属充分熔合。物料中的金属熔化，并与陶瓷颗粒之间形成复合材料，从而形成完整的金属陶瓷基复合材料，实现本发明的目的。
本发明可以制成强度高，质量轻，耐高温的复合材料。这种方法降低了复合材料的变形应力，提高了制件的强度。
本发明的主要优点是：
1)自蔓延高温合成(SHS)同电磁感应加热技术及反应热压技术相结合，可以制得性能优异的复合材料，同时利用反应放热提高产物的温度，从而提高陶瓷颗粒与铁的结合强度，克服了单一自蔓延法在制作较大制件时出现烧不透的不足，提高了反应效率。
2)该复合陶瓷材料是SHS反应在感应加热辅助作用下，利用廉价的原始材料直接由反应物生成，节约了材料成本。
3)实际操作时的最大电流为60A，电压220V，加热制件所需大部分热能来源于物料的自身放热反应，节省了能源。触变成型，降低了设备吨位。反应温度高，产物纯净、操作易于控制。
综上，本发明的优点是：
1)燃烧完全，制备的金属陶瓷材料表面光滑、致密、强度高、气孔率低；
2)热利用效率高，材料制备成本低；
3)易于控制，安全可靠。
(四)具体实施方式
本发明涉及的感应加热辅助自蔓延反应制备金属陶瓷基复合材料的方法，所述方法包括以下工艺过程：
步骤一、按化学计量配比要求配制复合粉料
复合粉料由Ti、C、Fe粉末组成，分别取粉料粒度为200-270目的Ti粉128g，C粉32g和Fe粉40g。
步骤二、混料
将Ti粉、C粉和Fe粉直接放入搅拌机中干混合2～4小时，配制出需要的混合粉料。
步骤三、压制预制件
将步骤二制得的混合粉料置于模具中，在压力机上压制成预制件。
步骤四、高频电磁感应加热辅助自蔓延(SHS)热压
利用高频感应加热炉，采用电流60A，电压220V对预制件加热和点燃，使其发生自蔓延反应生成TiCFe复合材料，待完全反应后的2～3秒，反应产物处于触变状态时，对其加压并保压1分钟，提高其致密度和强度，制成制件。
步骤五、为防止制件热应力过大产生开裂，制件应埋入砂中缓慢冷却。
Claims (2)
1.感应加热辅助自蔓延反应制备金属陶瓷基复合材料的方法，其特征在于所述方法是利用自蔓延反应原理，取两种或两种以上能进行自蔓延反应的粉末，按化学计量配制，并加入一定比列的金属粉末形成复合材料；混匀后压制成预制件；采用高频感应加热并点燃预制件，使其发生自蔓延反应，生成金属陶瓷基复合材料；在自蔓延反应结束后的2-3秒钟，进行模压，从而获得金属陶瓷基复合材料。
2.根据权利要求1所述的感应加热辅助自蔓延反应制备金属陶瓷基复合材料的方法，其特征在于所述方法包括以下工艺过程：
步骤一、按化学计量配比要求配制复合粉料
复合粉料由Ti粉、C粉和Fe粉，其中，Ti与C按化学计量配比配制，Fe粉加入量为复合粉料总重量的30wt％；
步骤二、混料
将Ti粉、C粉和Fe粉直接放入搅拌机中干混合2～4小时，配制出需要的混合粉料；
步骤三、压制预制件
将步骤二制得的混合粉料置于模具中，在压力机上压制成预制件；
步骤四、高频电磁感应加热辅助自蔓延热压
利用高频感应加热炉，采用电流60-80A，电压220V对预制件加热和点燃，使其发生自蔓延反应生成TiCFe复合材料，待完全反应后的2-3秒，反应产物处于触变状态时，对其加压并保压1-2分钟，制成制件；
步骤五、制件埋入砂中冷却。
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2009
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