[发明专利]TiC/TiB2双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及金属基复合材料领域，特别涉及TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法。

背景技术：

奥氏体锰钢韧性好，在经受较强烈冲击时，表层产生加工硬化，体现出良好的耐磨性，因而比较适合于在强烈冲击磨粒磨损工况条件下使用。但是其加工硬化能力有限，很难满足高寿命的要求。因此，需要引入增强颗粒来提高其硬度。原位内生陶瓷颗粒增强金属基复合材料主要具有原位增强体与基体的界面干净，润湿性好，结合强度高，增强体尺寸小，形状较圆整等诸多优点。已成为金属基复合材料的研究热点之一，从而备受关注。

然而，颗粒增强金属基复合材料一般均为整体增强，但在很多场合下，并不要求材料整体都进行颗粒增强。因此，一种新的颗粒局部增强钢基复合材料的制备解决了以下难题：(1)随着增强颗粒体积分数的提高，金属液流动性下降，不利于铸造形状复杂的铸件，并且基体的韧性也随之下降；(2)不需要颗粒增强的部位也进行了强化，浪费了大量昂贵的增强体。发表在Materials Science and Engineering A(材料科学与工程A)，2007，In Press和MaterialsLetters(材料快讯)，2005，59：2043-2047上的研究论文通过钢液的高温引发Ni-Ti-C体系自蔓延反应，从而制得TiC单相颗粒局部增强钢基复合材料。然而，TiC的断裂韧性和耐磨性较低，而TiB₂的耐磨性和断裂韧性虽好，但放热量大，易产生气孔，不利于致密复合材料的制备。因此，本发明综合两种陶瓷的优缺点，制备出了具有较高耐磨性和断裂韧性的原位内生双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。

技术内容：

本发明的目的在于克服TiC或TiB₂单相颗粒局部增强钢基复合材料的不足，提供一种用于制备TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法。

本发明的技术方案是：将Ni-Ti-B₄C体系的反应物，Ni，Ti和B₄C粉末按比例配制好，装入球磨机内混合均匀，然后压制成预制块；随后将钢液浇注到放置有经过预处理后的反应预制块的砂型内，利用钢液的热量引发预制块的原位反应，从而制备出原位内生TiC/TiB₂颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。具体包括：

一种TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)混料：原始粉料应满足如下要求：Ni质量百分含量：5～38；其余为Ti和B₄C，摩尔比Ti∶B₄C＝3∶1，对应着产物中TiC和TiB₂摩尔比为1∶2，粉末粒度为3.5～45微米；将上述配制好的Ni、Ti和B₄C粉末装入低速球磨机内混合搅拌，球磨8-10小时，以保证混合均匀；

(2)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，其紧实率为75±5％；

(3)预制块的预处理：将预制块放入低真空加热装置内，以15-20℃/分的加热速率加热至250-300℃，除气2-3小时；

(4)陶瓷颗粒增强体生成：将已预处理过的预制块放置在铸件需要增强的部位，锰钢钢液温度保证在1450℃以上，利用锰钢钢液的高温引燃预制块自蔓延反应，同时，钢液浸渗到预制块中，从而制备出TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部增强锰钢复合材料。

本发明与目前已有的技术相比具有以下突出优点：

1.本发明的特色在于将自蔓延燃烧合成技术和铸造技术进行了有机的结合。即将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，诱发放置在型内的预制块自蔓延反应合成TiC和TiB₂陶瓷颗粒增强相，同时钢液浸渗到预制块中，制备出TiC/TiB₂双相颗粒混杂局部区域增强的锰钢复合材料。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，而非失效部位的锰钢基体具有高的强韧性，承受着各种交变载荷对零件的冲击，使零件高寿命地服役。工艺简化，成本降低。

2.可以制备出大尺寸的、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。较好地解决了增强颗粒体积分数受到限制，浪费了大量昂贵的增强体等关键难题。