一種Cr<sub>2</sub>AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料及其無壓燒結(jié)制備方法
一種Cr<sub>2</sub>AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料及其無壓燒結(jié)制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料及其無壓制備方法。該材料中,Cr2AlC的體積百分比含量為5%~40vol.%,其余為Fe;該材料的制備方法:按比例稱取適量的Cr2AlC粉和Fe粉均勻混合,將混合后的原料粉放入鋼制模具中進(jìn)行冷壓成型,冷壓成型壓強(qiáng)為50~200MPa,然后將冷壓成型后的坯體通過冷等靜壓機(jī)進(jìn)行冷等靜壓成型,冷等靜壓壓強(qiáng)為100~300MPa,將冷等靜壓后的坯體放入石墨模具中,然后將石墨模具放入燒結(jié)爐中進(jìn)行無壓燒結(jié),燒結(jié)工藝為在真空、氬氣或氮?dú)獗Wo(hù)下,以10~40℃/min的升溫速率,將爐溫升到1100~1500℃,保溫15~120mins,冷卻后,即得到本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。該材料具有高硬度、耐磨耗、抗氧化,能在高溫下裂紋自愈合等顯著特點(diǎn),可廣泛用于高鐵制動盤、燃?xì)廨啓C(jī)高溫葉片、核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料等機(jī)械、交通、能源與軍工等領(lǐng)域。
【專利說明】
一種Cr2A IC増強(qiáng)Fe基復(fù)合材料及其無壓燒結(jié)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料及其無壓制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]采用陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐摩擦磨損性好、抗氧化、耐腐蝕及高溫蠕變、可設(shè)計性好等特點(diǎn),可以作為航空航天發(fā)動機(jī)高溫自愈合材料,交通運(yùn)輸領(lǐng)域的制動盤、道岔等制動、嚙合材料,核能領(lǐng)域的抗輻照和耐高溫結(jié)構(gòu)材料,冶金領(lǐng)域的輥環(huán)、導(dǎo)向輪、模具材料,以及機(jī)械加工領(lǐng)域的高速鋼材料等。
[0003]鉻鋁碳(Cr2AlC)是一種新型的三元納米層狀碳化物陶瓷,具有Ti6C八面體與Al層疊的納米層狀晶體結(jié)構(gòu),理論密度為5.23g/cm3,維氏硬度為3.5GPa,剪切模量為116GPa,彈性模量為278GPa,室溫抗彎強(qiáng)度為378MPa,室溫電導(dǎo)率為1.4 X 106S/m,可機(jī)械加工,抗高溫氧化性能好(參考文獻(xiàn):Shibo Li等,Ceramics Internat1nal, 2013,39(3): 2715-2721.)。因此,將其作為Fe基復(fù)合材料增強(qiáng)相,可以具有很好的強(qiáng)度、硬度、抗高溫和耐磨性。但是,目前為止還沒有利用該新型陶瓷作為Fe基復(fù)合材料增強(qiáng)相的報道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種以鉻鋁碳(Cr2AlC)和純鐵(Fe)為原料制成的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料及其無壓制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料,其成分如下:
[0007]Cr2AlC的體積含量為5?40vol%,其余為Fe。
[0008]本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料,其顯微結(jié)構(gòu)如下:
[0009]陶瓷相Cr2AlC與金屬相Fe基合金在三維空間各自呈連續(xù)分布,形成空間網(wǎng)絡(luò)交叉結(jié)構(gòu),兩者界面結(jié)合牢固。
[00?0]本發(fā)明的一種CnAlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料無壓制備方法,優(yōu)選該方法包括如下各步驟:
[0011]步驟I,配料:將鉻鋁碳(Cr2AlC)粉和純鐵(Fe)粉按以下比例配料:
[0012]Cr2AlC = 3.4 ?30.7wt%,
[0013]Fe = 96.6?69.4wt% ;
[0014]步驟2,混料:稱取相應(yīng)質(zhì)量的上述配料在無水乙醇介質(zhì)中球磨2?12小時,球料體積比為2:1?15:1,轉(zhuǎn)速為200?500r/min,將混合均勻的原料粉過篩后封存?zhèn)溆茫?/p>
[0015]步驟3,坯體成型:將一定質(zhì)量的混合原料粉料,裝入鋼制模具中,并施加50?200MPa的壓強(qiáng),使模具中的粉料壓實成型,將冷壓成型后的坯體置入冷等靜壓機(jī)中在100?300MPa下進(jìn)行冷等靜壓成型;
[0016]步驟4,燒結(jié):將成型后的坯體放入石墨模具中,并將石墨模具置入真空燒結(jié)爐中,在氬氣保護(hù)下,以10?40°C/min的升溫速率,將爐溫升到1100?1500°C,保溫15?120mins;然后,隨爐自然降溫,冷卻后,即得到本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。
[0017]本發(fā)明的有益效果如下:
[0018]本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料,其增強(qiáng)相與金屬基體結(jié)合緊密,組織均勻,力學(xué)性能高,耐磨性好,重量輕,耐高溫,耐輻照,抗氧化,在高溫下裂紋能通過氧化生成氧化鋁、氧化鉻而自愈合,且無壓制備工藝簡單,易于操作,成本低,適于批量生產(chǎn),易于推廣。
[0019]采用本發(fā)明方法所制備的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料可廣泛用于高鐵制動盤、燃?xì)廨啓C(jī)高溫葉片、核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料等機(jī)械、交通、能源與軍工等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0020 ]圖1是本發(fā)明的Cr 2AIC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的表面微觀形貌掃描電鏡(SEM)照片。深色部分為Cr2AlC增強(qiáng)顆粒,淺色部分為Fe基體。
[0021 ]圖2是本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的斷口微觀形貌掃描電鏡(SEM)照片。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明中所用Cr2AlC粉為純度大于90%的高純Cr2AlC粉,
[0023]實施方式一
[0024]將Cr2AlC與Fe粉按照5:95的體積比配料,稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉1.7克、純度為分析純的Fe粉48.3克,放入行星球磨機(jī)中,按照瑪瑙球與粉料球料比為10:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下,球磨混合2小時,然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩,將混合粉料置入鋼制模具中,在150MPa壓強(qiáng)下冷壓成型,再將冷壓成型后的坯體放入石墨模具中,并放入燒結(jié)爐中,在氬氣保護(hù)下進(jìn)行無壓燒結(jié),按10°C/min的升溫速率,將爐溫升至1100°C,保溫15min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時,樣品出爐,即制得本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。
[0025]所制備Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的布氏硬度為62.3HB,抗彎強(qiáng)度為186.8MPa。
[0026]實施方式二
[0027]將Cr2AlC與Fe粉按照10:90的體積比配料,稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉3.4克、純度為分析純的Fe粉46.6克,放入行星球磨機(jī)中,按照瑪瑙球與粉料球料比為15:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為250r/min的條件下,球磨混合5小時,然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩,將混合粉料置入鋼制模具中,在200MPa壓強(qiáng)下冷壓成型,再將成型后的坯體用塑料包套住,再施加10MPa壓強(qiáng)進(jìn)行冷等靜壓成型,將冷等靜壓成型后的坯體置入石墨模具中,然后放入燒結(jié)爐中,在氬氣保護(hù)下進(jìn)行無壓燒結(jié),按15°C/min的升溫速率,將爐溫升至1200°C,保溫30min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時,樣品出爐,SP制得本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。
[0028]所制備Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的布氏硬度為74HB,抗彎強(qiáng)度為202.4MPa。
[0029]實施方式三
[0030]將Cr2AlC與Fe粉按照15:75的體積比配料,稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉5.2克、純度為分析純的Fe粉44.8克,放入行星球磨機(jī)中,按照瑪瑙球與粉料球料比為15:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為300r/min的條件下,球磨混合10小時,然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩,將混合粉料置入鋼制模具中,在200MPa壓強(qiáng)下冷壓成型,再將成型后的坯體用塑料包套住,再施加200MPa壓強(qiáng)進(jìn)行冷等靜壓成型,將冷等靜壓成型后的坯體置入石墨模具中,然后放入燒結(jié)爐中,在氬氣保護(hù)下進(jìn)行無壓燒結(jié),按20°C/min的升溫速率,將爐溫升至1300°C,保溫60min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時,樣品出爐,SP制得本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。
[0031 ] 所制備Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的布氏硬度為118HB,抗彎強(qiáng)度為224MPa。
[0032]實施方式四
[0033]將Cr2AlC與Fe粉按照20: 80的體積比配料,稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉7.1克、純度為分析純的Fe粉42.9克,放入行星球磨機(jī)中,按照瑪瑙球與粉料球料比為15:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為400r/min的條件下,球磨混合15小時,然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩,將混合粉料置入鋼制模具中,在10MPa壓強(qiáng)下冷壓成型,再將成型后的坯體用塑料包套住,再施加250MPa壓強(qiáng)進(jìn)行冷等靜壓成型,將冷等靜壓成型后的坯體置入石墨模具中,然后放入燒結(jié)爐中,在氬氣保護(hù)下進(jìn)行無壓燒結(jié),按30°C/min的升溫速率,將爐溫升至1400°C,保溫90min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時,樣品出爐,SP制得本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。
[0034]所制備Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的布氏硬度為169HB,抗彎強(qiáng)度為258.9MPa。
[0035]實施方式五
[0036]將Cr2AlC與Fe粉按照30:70的體積比配料,稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉11.1克、純度為分析純的Fe粉38.9克,放入行星球磨機(jī)中,按照瑪瑙球與粉料球料比為15:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為500r/min的條件下,球磨混合24小時,然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩,將混合粉料置入鋼制模具中,在50MPa壓強(qiáng)下冷壓成型,再將成型后的坯體用塑料包套住,再施加300MPa壓強(qiáng)進(jìn)行冷等靜壓成型,將冷等靜壓成型后的坯體置入石墨模具中,然后放入燒結(jié)爐中,在氬氣保護(hù)下進(jìn)行無壓燒結(jié),按40°C/min的升溫速率,將爐溫升至1500°C,保溫120min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時,樣品出爐,即制得本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。
[0037]所制備Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的布氏硬度為66HB,抗彎強(qiáng)度為190.2MPa。
【主權(quán)項】
1.一種CT2A1C增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料,其特征在于:其成分為: Cr2AlC在體積百分比含量為5%?40%,其余為Fe。2.一種Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料的無壓燒結(jié)制備方法,其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟1:配料:將鉻鋁碳(Cr2AlC)粉和鐵(Fe)粉按以下比例配料: Cr2AlC = 3.4?30.7wt%, Fe = 96.6?69.4wt % ; 步驟2:混料:將上述配料通過行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨混合、烘干、冷卻、過篩,球磨混合條件為:球料比5:1?15:1,轉(zhuǎn)速200?500r/min,球磨時間2?24小時,烘干溫度為60?70°C,過篩目數(shù)為70?120目,得到均勻細(xì)化的混合粉末; 步驟3:坯體成型:將步驟2中的混合粉末放入鋼制模具中進(jìn)行冷壓成型,冷壓成型壓強(qiáng)為50?200MPa,然后將冷壓成型后的坯體通過冷等靜壓機(jī)進(jìn)行冷等靜壓成型,冷等靜壓壓強(qiáng)為 100?300MPa; 步驟4:燒結(jié):將步驟3中的坯體放入石墨模具中進(jìn)行無壓燒結(jié),燒結(jié)工藝為在真空、氬氣或氮?dú)獗Wo(hù)下,以10?40 °C/min的升溫速率,將爐溫升到1100?1500 °C,保溫15?120mins,冷卻后,即得到本發(fā)明的Cr2AlC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。
【文檔編號】C22C33/02GK105908052SQ201610411041
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】陳新華, 周素霞, 楊建偉, 張軍, 李慧君
【申請人】北京建筑大學(xué)