颗粒增强金属基复合材料的制备工艺及应用

颗粒增强金属基复合材料的制备工艺及应用

21世纪被称为新材料的金属基材料，因为它的优良耐热性和化学性能，所以受到了青睐。而颗粒增强金属基复合材料已经成为国内外研究的热点,其不但具有金属塑韧性好的特点,而且同时具有陶瓷颗粒硬度高、刚度大的优点,从而显示出单一的金属基体或陶瓷颗粒所不可比拟的优异性能。1通过增强金属基材料的制备工艺1.1通过增强金属基全球材料的制备工艺1.1.1铸造法与铸造法的优缺点粉末冶金法是将增强颗粒与金属粉充分混合后冷压成型,真空加热到固液两相区内热压,将热压后的坯料进行热挤压或冷轧制成零部件。与铸造法相比,其优点在于复合温度低,从而减轻了基体与增强相界面反应,故复合材料的性能一般优于铸造法,且增强相的体积分数可任意调节(颗粒含量可达50%以上),成分比例准确,增强相分布均匀,并且可以实现最终成型或近终成型,节约材料。此方法的缺点是:①设备、工艺复杂,生产效率低;②金属微粉的价格较高,增强体与基体尺寸差大,分布不均匀;③不适合用来生产大件、复杂件。1.1.2施工方法(1)分固相粒子法把金属液温度控制在液相线和固相线之间且不断搅拌,然后把颗粒状增强物按一定比例加入到含有一定组分固相粒子的金属液中,并迅速升温至液相线以上直接进行浇注,就得到所需复合材料。此工艺优点是:增强相与基体的浸润性好、增强相粒子分布均匀。但是,因为金属液处于半固态,粘度较大,其浆液中的气体和夹杂不易排出。另外,在工业化过程中,要准确控制和保持金属液处于半固态温度也是很困难的。(2)金属熔融成型通过高速旋转的搅拌棒使金属液产生旋涡,向旋涡中加入颗粒使其分散,由于旋涡的抽吸作用使颗粒卷入熔体中,待分散均匀后,浇入金属型,用挤压铸造等方法成型。高速搅拌的旋涡不可避免有气体和夹杂物混入,偏析和“结团”现象也难以避免。且加入的颗粒不能太小,加入量也有限制。美国对此方法进行改进,使金属熔化并搅拌;增强物加入及浇注成型都在真空容器内进行,从而避免了气体、夹杂的污染。(3)金属基复合材料以氩气等惰性气体作载体,使颗粒分散于液态金属,采用此法不仅可以制造有色金属为基的复合材料,而且可以用于钢铁等高熔点基体。但此法存在着由于载体气体溶入而引起的气孔问题。(4)金属基复合材料的增强物与金属基复合材料的制备将增强相加入熔体后,对熔体施加超声振动,利用超声的空化效应,可明显改善增强物与金属的润湿性,使小于10μm的微粒在金属液中均匀分散,获得性能良好的微细颗粒增强金属基复合材料。(5)复合材料的制备把颗粒增强物和基体合金粉按一定比例混合,压成中间合金块,直接加入基体合金液,待金属粉末熔化,增强物即进入熔体,经搅拌、浇注、凝固制得复合材料。1.1.3金属雾化法这种工艺是将粉末冶金中混合与凝固两个过程相结合的新工艺,其原理为使熔化的金属液在高压惰性气体射流的作用下分散雾化,同时将增强相颗粒喷入金属雾化射流中,使之混合共喷射沉积到预处理的基板上,并快速凝固形成所需要的复合材料。这种方法的特点是增强体与基体熔液接触时间相当短,因此二者之间的反应易于控制。喷射沉积法的制备成本介于铸造法和粉末冶金法之间。1.2通过增强金属表面活性剂的制备工艺1.2.1表面改性技术预先在铸型某一特定部位涂上一层合金粉末材料,浇注时,金属液浸透涂料的毛细孔隙并使合金粉末熔化,与母材金属熔合为一体,从而在铸件表面上形成一层耐磨表面层。铸渗法与非铸造途径的表面改性技术相比,具有不需专门设备、生产周期短、表面处理层厚、成本低、零件不变形等优点,另外,成分和组织也可以根据工件的性能要求进行设计,因此受到了人们的普遍重视。目前铸造工作者已经进行了消失模铸渗技术、负压铸渗技术的研究。该技术存在的问题是铸渗层的质量不太稳定,铸渗层效果对工艺参数的变化较为敏感。1.2.2钢液用钢液铸造法首先把一定量的增强颗粒在低转速情况下放入铸型,靠离心力的作用将增强颗粒均匀分布于型壁,形成具有一定厚度和孔隙度的预制型,然后将熔炼好的钢液浇入铸型,使钢液在离心力的作用下渗入预制型的间隙,获得表层有一定厚度的复合材料。1.2.3冲散和金属液冲散采用真空机械吸附作用来固定合金粉末,真空所产生的负压使合金粉末不被浇入的金属液冲散,金属液在真空作用下渗入合金粉末。采用真空吸铸法,液态金属与合金粉末接触紧密,液态金属向合金粉末的渗透能力得到强化,同时得到的铸渗层也较厚。1.2.4复合材料的制备预先把增强物用适当粘结剂粘结,做成预制件,放入金属型内适当位置,浇注金属液,随后加压,使金属液渗入预制件的间隙,即得所需复合材料。采用挤压铸造法制备颗粒增强金属基复合材料,液态金属在高压下浸渗到预制件中,可以克服增强颗粒与液态金属润湿性差的影响,故这种方法制得的复合材料界面结合良好、组织致密。挤压铸造法的特点是制备成本较低,但材料的微观组织结构和力学性能不如粉末冶金制备的复合材料。2增强铁基复合材料粉末冶金法制备颗粒增强金属基复合材料的基体一般有铝基、铜基、钛基、镁基等,增强颗粒有SiC、Al2O3、TiC、B4C等。上海交通大学的湛永钟等采用粉末冶金结合热挤压工艺制备了组织均匀、致密的SiCp/Cu复合材料,该复合材料在干摩擦条件下同GCr15钢对磨的结果表明,SiCp/Cu复合材料的耐磨性优于铜基体,且在较高载荷下,复合材料的耐磨性能随SiC颗粒尺寸的增大而逐渐提高。陕西理工学院的解念锁采用粉末冶金法制备了SiC颗粒增强Ni基梯度复合材料,其致密度大于93%,显微硬度随着SiC含量的增大呈梯度分布。西安交通大学的张细良等探索了用离心铸造工艺实现回转体表面铸渗WC颗粒制作轧辊的工艺,结果表明:用合适的工艺可以实现在回转体(基体为HT200)表面离心铸渗WC制得轧辊,所得轧辊表面的常温抗磨料磨损性能较之Cr20(回火处理)的提高3~4倍。河南科技大学的邓刚、宋延沛等采用离心铸造的方法制备出表层厚度为18~25mm的WC颗粒增强铁基复合材料,其冲击韧度达5~6J/cm2,复合材料表层和基体硬度分别达到63~65HRC和50~55HRC。北京科技大学的张济山等采用雾化喷射沉积成形技术制备了含10%(体积分数)Al2O3颗粒的18Ni(250)马氏体时效钢金属基复合材料,沉积坯件具有高致密度、增强颗粒分布均匀、无界面反应等组织特征,经热处理后该复合材料的耐磨性比基体材料提高约2倍。中南工业大学的张豪等采用喷射沉积工艺获得了增强颗粒均匀分布、无界面反应的6061Al/SiCp颗粒增强复合材料锭坯,并通过热挤压工艺进一步使锭坯致密,增强颗粒分布改善。从而使材料的力学性能极大地改善,可达σb=439MPa,σ0.2=409MPa,δ=10.4%。喷射沉积-挤压6061Al/10%SiCp复合材料拉伸强度比基体高出约50%。已有研究表明,SiC颗粒增强铝基复合材料作为磨阻材料,其摩擦系数与灰铸铁相当且更加稳定,而其耐磨性比铸铁高,复合材料Al-10%Si/30%SiC的平均磨损率小于灰铸铁的1/3。随着汽车等运行车辆向高速度、轻量化、低能耗方向的发展,颗粒增强铝基复合材料作为磨阻材料,是用于汽车刹车盘类磨阻件的理想替代材料。20世纪90年代以来,铸渗法制备金属基表面复合材料受到普遍重视,在应用研究方面也取得了长足的进步。蒋业华等针对承受严重冲蚀磨损的渣浆泵过流件,采用砂型负压铸渗工艺制备了WC/灰铸铁基表面复合材料,结果表明,WC灰铸铁基表面复合材料具有良好的微观组织结构和优异的抗冲蚀磨损性能,抗冲蚀磨损性能是Cr15Mo3高铬铸铁的2.7倍。祁小群等采用负压渗透法成功制备出WC颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料喷射口衬板,其耐磨性能是高铬铸铁的5.1倍,大大提高了使用寿命。梁作俭等采用真空负压工艺,取消了膏块法中使用的粘结剂,获得了碳化钨颗粒分布均匀、与基体结合致密的复合层,其抗冲蚀性是高铬铸铁的3~4倍。许斌等以灰铸铁、球墨铸铁为基体材料,制备出组织为WC、(Cr,Fe)7C3、马氏体和共晶奥氏体的复合层,经现场验证知,表面合金化铸造犁踵比灰铸铁表面冷铸犁踵耐磨性提高了2.44倍。针对火车车辆连接与转向系统配件材料极易在短时间内磨损的问题,文献采用CO2水玻璃砂型铸渗工艺,在铸钢表面制备出了碳化钨/高铬铸铁复合铸渗层,对最佳的试验参数进行了优选,并对其耐磨特性进行了研究,结果表明,在小能量冲击载荷工况条件下铸渗复合层的耐磨性显著提高。随着我国火车向高速、重载方向的不断发展,对材料耐磨性能的要求也在不断提高,科技工作者需对铸渗技术开展更加深入的研究,力求设计出工艺更加稳定、更加环保、性价比较高的复合材料。3金属基复合材料自从20世纪80年代以来,由于颗粒增强金属基复合材料具有成本低、高强度、高模量、高耐磨性、易于制造等优点,得到了迅猛的发