CN109234600A - 一种稀土改型金属基TiC复合材料及制备风机机壳内筒的方法 - Google Patents

一种稀土改型金属基TiC复合材料及制备风机机壳内筒的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稀土改型金属基TiC复合材料及制备风机机壳内筒的方法，按重量百分比，该复合材料的原料包括：TiC：65％～75％，Fe：20％～28％以及添加成分为Ni：2％～4.5％，Cr：2％～4.5％，Mn：0.2％～0.3％，Si：0.05％～0.08％，C：0.02％～0.03％，稀土含量Y：0.01％～1％。该方法包括步骤：1)混料；2)球磨；3)干燥；4)模压成型；5)固相烧结：先将成型坯体放入真空烧结炉中固相烧结，烧结温度为800℃～1000℃，制成机壳内筒预制体；6)机械加工：将固相烧结后的机壳内筒预制体取出后在通用车床进行机械加工，得到需要的内筒尺寸；7)高温烧结：将机械加工后的金属陶瓷机壳内筒预制体放入真空烧结炉中进行高温烧结，烧结后随炉冷却得到稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料风机机壳内筒。

Description

一种稀土改型金属基TiC复合材料及制备风机机壳内筒的 方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷材料，具体涉及一种稀土改型金属基TiC复合材料及制备风机机壳内筒的方法。
背景技术
TiC基金属陶瓷由于具有高硬度，高的抗氧化温度和良好的化学稳定性，因此具备良好的耐磨损、耐腐蚀性能，是制备风机机壳内筒的新型金属陶瓷材料。
目前风机机壳材料主要分为以下几种：普通风机Q235，引风机(250℃以下)Q345，高温风机12Cr1MoV或1Cr18Ni9Ti，防腐风机304、1Cr18Ni9Ti、316、316L、PP、玻璃钢等。由此可见，目前常用的风机机壳材料根据需求主要采用碳钢，不锈钢或者玻璃钢等，成本逐渐升高，耐用性逐渐增强。机壳作为风机的主题构件主要起到保护风机叶片，气体增压提供流道，导流等作用，因此对于风机结构起到了显著的作用。而本专利则以普通碳钢为壳主体，采用稀土改性金属基TiC复合材料作为机壳内筒，可显著提高内筒使用寿命，增强机壳的耐磨及耐蚀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶粒细小、耐磨损、抗高温氧化和腐蚀、经济成本低的稀土改型金属基TiC复合材料及制备风机机壳内筒的方法。本发明成分简单，不含稀缺战略资源W、Co，使用Ni含量少，硬度高，耐磨性好。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料，按重量百分比，该复合材料的原料包括：TiC：65％～75％，Fe：20％～28％以及添加成分为Ni：2％～4.5％，Cr：2％～4.5％，Mn：0.2％～0.3％，Si：0.05％～0.08％，C：0.02％～0.03％，稀土含量Y：0.01％～1％。
采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，包括以下步骤：
1)混料步骤：按照质量百分比，将以下组分的原料进行混料：TiC：65％～75％，Fe：20％～28％以及添加成分为Ni：2％～4.5％，Cr：2％～4.5％，Mn：0.2％～0.3％，Si：0.05％～0.08％，C：0.02％～0.03％，稀土含量Y：0.01％～1％；
2)球磨步骤：混合后的原料放入球磨罐中，加入占其质量百分比为1％～2％的无水乙醇作为介质，将球磨罐中抽真空后填充氩气湿磨；
3)干燥步骤：将球磨后浆料置于旋转蒸发仪中烘干，烘干后粉末过筛；
4)模压成型步骤：将干燥后的粉体装入金属模具中，模压成型，制成机壳内筒形状；
5)固相烧结步骤：先将成型坯体放入真空烧结炉中固相烧结，烧结温度为800℃～1000℃，制成机壳内筒预制体；
6)机械加工步骤：将固相烧结后的机壳内筒预制体取出后在通用车床进行机械加工，得到需要的内筒尺寸；
7)高温烧结：将机械加工后的金属陶瓷机壳内筒预制体放入真空烧结炉中进行高温烧结，烧结后随炉冷却得到稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料风机机壳内筒。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，球料质量比为5:1～20：1，球磨转速为150r/min～300r/min，球磨时间为4h～20h。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，采用旋转蒸发仪烘干，烘干温度为55℃～75℃，真空度为0.09MPa。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，烘干后粉末用200目筛网过筛。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，在100～400MPa压力下模压成型，保压时间为30s～120s。
本发明进一步的改进在于，步骤7)中，烧结温度为1200℃～1500℃，真空度为10- 2Pa，烧结时间为0.5h～1.5h。
本发明进一步的改进在于，升温速率为1000℃以下为8℃/min，1000℃以上为4℃/min。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，包含硬质相和粘结相，原料经混料、湿磨、干燥、模压成型、固相烧结、机械加工、高温烧结制备形成。
本发明制备稀土Y改性TiC-不锈钢金属陶瓷内筒材料成分简单，不含W、Co等战略稀缺资源，以TiC为硬质相，以不锈钢为粘结相，成本低廉；不锈钢与TiC能润湿，形成的金属陶瓷内筒致密度高、主要力学指标优良。根据测试可知所得机壳的内筒TiC陶瓷硬度86HRA，抗弯强度1400MPa明显高于传统高温风机机壳材料12Cr1MoV(500MPa)，并可用于复杂高温工况。
附图说明
图1为本发明采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备的风机机壳内筒的主视图，阴影部分为内筒，序号1为TiC-Fe基复合材料。
图2为本发明采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备的风机机壳内筒的侧视图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做出进一步说明：
实施例1、一种稀土Y改性TiC-不锈钢金属陶瓷机壳内筒，制备顺序包括混料、湿磨、干燥、模压成型、固相烧结、机械加工、高温烧结步骤，其特征在于：
(1)混料步骤：选用纯度不低于99％的TiC、Fe、Ni、Cr、Mn、Si、C粉末混合，各组分照质量比为TiC：65％，Fe：28％，Ni：3％，Cr：3.6％，Mn：0.3％，Si：0.07％，C：0.02％，Y：0.01％；
(2)球磨步骤：在混合后的原料放入球磨罐中，加入占其质量百分比为2％的无水乙醇作为介质，将球磨罐中抽真空后填充氩气，球料质量比为8：1，球磨转速为300r/min，球磨时间为24h；
(3)干燥步骤：将球磨后浆料置于旋转蒸发仪中，先抽真空，气压降至0.09MPa开始升温烘干，烘干温度55℃，烘干后粉末用200目筛网过筛；
(4)模压成型步骤：将干燥后的粉体装入金属模具中，在200MPa压力下模压成型制备金属陶瓷机壳内筒，保压时间为60s；
(5)固相烧结步骤：将模压坯体放入真空烧结炉中烧结，烧结温度为1000℃，真空度为10-2Pa，烧结时间为半小时，随炉冷却得到稀土Y改性TiC-不锈钢金属陶瓷机壳内筒预制体；
(6)机械加工步骤：将烧结得到的预制体用车床机械加工；
(7)高温烧结步骤：将机械加工后得到的预制体放入真空烧结炉中进行高温烧结，烧结温度为1450℃，烧结时间为1小时，烧结后随炉冷却，得到金属陶瓷机壳内筒；
实施例2、一种稀土Y改性TiC-不锈钢金属陶瓷机壳内筒，制备顺序包括混料、湿磨、干燥、模压成型、固相烧结、机械加工、高温烧结步骤，其特征在于：
(1)混料步骤：选用纯度不低于99％的TiC、Fe、Ni、Cr、Mn、Si、C粉末混合，各组分照质量比为TiC：75％，Fe：20％，Ni：2％，Cr：2％，Mn：0.3％，Si：0.05％，C：0.03％，Y：0.62；
(2)球磨步骤：在混合后的原料放入球磨罐中，加入占其质量百分比为2％的无水乙醇作为介质，将球磨罐中抽真空后填充氩气，球料质量比为10：1，球磨转速为300r/min，球磨时间为20h；
(3)干燥步骤：将球磨后浆料置于旋转蒸发仪中，先抽真空，气压降至0.09MPa开始升温烘干，烘干温度55℃，烘干后粉末用200目筛网过筛；
(4)模压成型步骤：将干燥后的粉体装入金属模具中，在150MPa压力下模压成型制备金属陶瓷机壳内筒，保压时间为60s；
(5)固相烧结步骤：将模压坯体放入真空烧结炉中烧结，烧结温度为1000℃，真空度为10-2Pa，烧结时间为半小时，随炉冷却得到稀土Y改性TiC-不锈钢金属陶瓷机壳内筒预制体；
(6)机械加工步骤：将烧结得到的预制体用车床机械加工；
(7)高温烧结步骤：将机械加工后得到的预制体放入真空烧结炉中进行高温烧结，烧结温度为1450℃，烧结时间为1小时，烧结后随炉冷却，得到金属陶瓷机壳内筒；
实施例3、一种稀土Y改性TiC-不锈钢金属陶瓷机壳内筒，制备顺序包括混料、湿磨、干燥、模压成型、固相烧结、机械加工、高温烧结步骤，其特征在于：
(1)混料步骤：选用纯度不低于99％的TiC、Fe、Ni、Cr、Mn、Si、C粉末混合，各组分照质量比为TiC：69％，Fe：24％，Ni：3.3％，Cr：2.32％，Mn：0.3％，Si：0.06％，C：0.02％，Y：1％；
(2)球磨步骤：在混合后的原料放入球磨罐中，加入占其质量百分比为2％的无水乙醇作为介质，将球磨罐中抽真空后填充氩气，球料质量比为12：1，球磨转速为300r/min，球磨时间为30h；
(3)干燥步骤：将球磨后浆料置于旋转蒸发仪中，先抽真空，气压降至0.09MPa开始升温烘干，烘干温度70℃，烘干后粉末用200目筛网过筛；
(4)模压成型步骤：将干燥后的粉体装入金属模具中，在200MPa压力下模压成型制备金属机壳内筒，保压时间为120s；
(5)固相烧结步骤：将模压坯体放入真空烧结炉中烧结，烧结温度为1000℃，真空度为10-2Pa，烧结时间为半小时，随炉冷却得到稀土Y改性TiC-不锈钢金属陶瓷机壳内筒预制体；
(6)机械加工步骤：将烧结得到的预制体用车床机械加工；
(7)高温烧结步骤：将机械加工后得到的预制体放入真空烧结炉中进行高温烧结，烧结温度为1500℃，烧结时间1小时，烧结后随炉冷却，得到金属陶瓷机壳内筒。
实施例4、一种稀土Y改性TiC-不锈钢金属陶瓷机壳内筒，制备顺序包括混料、湿磨、干燥、模压成型、真空固相烧结、机械加工、高温液相烧结步骤，其特征在于：
(1)混料步骤：选用纯度不低于99％的TiC、Fe、Ni、Cr、Mn、Si、C粉末混合，各组分照质量比为TiC：68％，Fe：24.725％，Ni：3.6％，Cr：3.35％，Mn：0.2％，Si：0.05％，C：0.025％，Y：0.05％；
(2)球磨步骤：在混合后的原料放入球磨罐中，加入占其质量百分比为2％的无水乙醇作为介质，将球磨罐中抽真空后填充氩气，球料质量比为10：1，球磨转速为300r/min，球磨时间为10h；
(3)干燥步骤：将球磨后浆料置于旋转蒸发仪中，先抽真空，气压降至0.09MPa开始升温烘干，烘干温度70℃，烘干后粉末用200目筛网过筛；
(4)模压成型步骤：将干燥后的粉体装入金属模具中，在200MPa压力下模压成型制备金属陶瓷机壳内筒，保压时间为120s；
(5)固相烧结步骤：将模压坯体放入真空烧结炉中烧结，烧结温度为1000℃，真空度为10-2Pa，烧结时间为0.5小时，随炉冷却得到稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料机壳内筒预制体；
(6)机械加工步骤：将烧结得到的预制体用车床机械加工；
(7)高温烧结步骤：将机械加工后得到的预制体放入真空烧结炉中进行高温烧结，烧结温度为1500℃，烧结时间1小时，烧结后随炉冷却，得到金属陶瓷机壳内筒。

Claims (8)

1.一种稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料，其特征在于，按重量百分比，该复合材料的原料包括：TiC：65％～75％，Fe：20％～28％以及添加成分为Ni：2％～4.5％，Cr：2％～4.5％，Mn：0.2％～0.3％，Si：0.05％～0.08％，C：0.02％～0.03％，稀土含量Y：0.01％～1％。
2.采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)混料步骤：按照质量百分比，将以下组分的原料进行混料：TiC：65％～75％，Fe：20％～28％以及添加成分为Ni：2％～4.5％，Cr：2％～4.5％，Mn：0.2％～0.3％，Si：0.05％～0.08％，C：0.02％～0.03％，稀土含量Y：0.01％～1％；
2)球磨步骤：混合后的原料放入球磨罐中，加入占其质量百分比为1％～2％的无水乙醇作为介质，将球磨罐中抽真空后填充氩气湿磨；
3)干燥步骤：将球磨后浆料置于旋转蒸发仪中烘干，烘干后粉末过筛；
4)模压成型步骤：将干燥后的粉体装入金属模具中，模压成型，制成机壳内筒形状；
5)固相烧结步骤：先将成型坯体放入真空烧结炉中固相烧结，烧结温度为800℃～1000℃，制成机壳内筒预制体；
6)机械加工步骤：将固相烧结后的机壳内筒预制体取出后在通用车床进行机械加工，得到需要的内筒尺寸；
7)高温烧结：将机械加工后的金属陶瓷机壳内筒预制体放入真空烧结炉中进行高温烧结，烧结后随炉冷却得到稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料风机机壳内筒。
3.根据权利要求2所述的采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，其特征在于，步骤2)中，球料质量比为5:1～20：1，球磨转速为150r/min～300r/min，球磨时间为4h～20h。
4.根据权利要求2所述的采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，其特征在于，步骤3)中，采用旋转蒸发仪烘干，烘干温度为55℃～75℃，真空度为0.09MPa。
5.根据权利要求2所述的采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，其特征在于，步骤3)中，烘干后粉末用200目筛网过筛。
6.根据权利要求2所述的采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，其特征在于，步骤4)中，在100～400MPa压力下模压成型，保压时间为30s～120s。
7.根据权利要求2所述的采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，其特征在于，步骤7)中，烧结温度为1200℃～1500℃，真空度为10-2Pa，烧结时间为0.5h～1.5h。
8.根据权利要求7所述的采用稀土改型金属基TiC陶瓷复合材料制备风机机壳内筒的方法，其特征在于，升温速率为1000℃以下为8℃/min，1000℃以上为4℃/min。
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