一种高耐磨的层状复合材料及其制备方法

申请号 CN201610924925.4 申请日 2016-10-24 公开(公告)号 CN106584959A 公开(公告)日 2017-04-26
申请人 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司; 发明人 李风浪; 李舒歆;
摘要 本 发明 公开了一种高耐磨的 铁 铝 层状 复合材料 ,该层状复合材料包括陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝板层、陶瓷颗粒增强铁基材料层;所述陶瓷颗粒增强铁基材料层是由母体金属与圆锥状增强体构成,所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面,由表及里增强体的体积分数逐渐减小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。本发明还公开了该高耐磨的铁铝层状复合材料的制备方法,本发明制得的铁铝层状复合材料 耐磨性 能优异,抗折抗压强度大,拉伸性能优异,且制备方法简单。
权利要求

1.一种高耐磨的层状复合材料,其特征在于:该层状复合材料包括陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝板层、陶瓷颗粒增强铁基材料层;
所述陶瓷颗粒增强铁基材料层是由母体金属与圆锥状增强体构成,所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面,由表及里增强体的体积分数逐渐减小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
2.如权利要求1所述的一种高耐磨的铁铝层状复合材料,其特征在于,所述陶瓷颗粒铁基材料层的制备方法包括以下步骤:
1)制备石墨模具,其内腔形状为锥形,圆锥为20-60°;
2)将粒度为300-600μm的陶瓷颗粒与金属粉末使用无乙醇机械混合均匀,得到混合物;
3)将步骤2)制得的混合物填充于步骤1)制得的石墨模具中,100℃下烘干,然后放入真空烧结炉内,在1450℃下烧结40-50min,随炉冷却至室温,打开模具,将成型后的预制体取出;
4)将步骤3)制得的圆锥状的预制体放入铸型底部,保持一定的间距,采用中频感应炉熔炼铁基金属,金属液出炉前启动真空,通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛,然后进行浇注,得到陶瓷颗粒增强铁基材料层。
3.如权利要求2所述的一种高耐磨的铁铝层状复合材料,其特征在于,步骤3)中,所述烧结的条件为:真空度为10-1Pa,烧结45min。
4.如权利要求1所述的一种高耐磨的铁铝层状复合材料,其特征在于:所述陶瓷颗粒为化钨陶瓷颗粒、碳化陶瓷颗粒、氮化钛陶瓷颗粒中的一种。
5.如权利要求1至4任一所述的一种高耐磨的铁铝层状复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝层、陶瓷颗粒增强铁基材料层层叠,在500℃、压为45MPa的条件下,热压1-2.5h,得到热压多层复合板材;
(2)将步骤(1)制得的热压多层复合板材在400-500℃下,进行热轧处理2-3h,得到铁铝复合板;
(3)将步骤(2)制得的铁铝复合板进行热处理20-30h,得到高耐磨的铁铝层状复合材料。
6.如权利要求5所述的一种高耐磨的铁铝层状复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述热轧处理的条件为420℃下,热轧2.5h。
7.如权利要求5所述的一种高耐磨的铁铝层状复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述热处理的条件为:真空度为0.025Pa、压力为30MPa、温度为1450℃。

说明书全文

一种高耐磨的层状复合材料及其制备方法

技术领域:

[0001] 本发明涉及复合材料技术领域,具体的涉及一种高耐磨的铁铝层状复合材料。背景技术:
[0002] 先进复合材料由于具有优良的综合性能,先进的制造工艺在高新技术装备中占据着不可替代的位置,代表着未来材料科学的发展方向,是具有巨大应用潜的复合材料品种。先进复合材料不仅能够广泛应用于日常生活中,在军事上也得到了高度的重视,而且涉及到国民经济和国民建设的各个领域,已成为不可缺少的重要材料。
[0003] 层状金属复合材料包含不同种类的各组元金属材料。在这样的复合材料中,多种物理、化学性质不同的金属经过一定的制备工艺结合在一起,各组元交替层叠,形成一种性能优异的复合材料。层状复合材料能够结合单一材料各自的优异性能如机械、电学性能、断裂强度、疲劳性能、冲击性能、腐蚀甚至形变性能等,因而具有更好的综合性能。
[0004] 铁基材料由于具有良好的耐磨性、延展性、较高的强度和硬度,从而得到了广泛的应用。而铝在地壳中含量丰富,居各类金属之首,并且最重要的原因是铝材还有一系列的优点:密度小,约为2.79g·cm-3;塑性好,成型性好;耐腐性好、导热导电性好、经济实惠等。但是铝的耐磨性和强度却往往满足不了实际应用的需求。作为一种新型复合材料,铁/铝层状复合材料能够同时具备铁和铝的优良性能,能够摒弃铁和铝本身性能的不足,是一种综合性能良好的层状复合材料。加快层状铁/铝复合材料的研究、开发和应用,对我国高新技术领域轻量化材料的发展能够起到巨大的推动作用。但是目前常用的铁铝层状复合材料耐磨度还是不够,不适于在大的冲击载荷下使用。发明内容:
[0005] 本发明的目的是提供一种高耐磨的铁铝层状复合材料,其耐磨性能优异,增强相与铁铝层状复合材料结合性好,不会发生脱落,稳定性好。
[0006] 本发明的另一个目的是提供该高耐磨的铁铝层状复合材料的制备方法。
[0007] 为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
[0008] 一种高耐磨的铁铝层状复合材料,该层状复合材料包括陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝板层、陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0009] 所述陶瓷颗粒增强铁基材料层是由母体金属与圆锥状增强体构成,所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面,由表及里增强体的体积分数逐渐减小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
[0010] 作为上述技术方案的优选,一种高耐磨的铁铝层状复合材料,所述陶瓷颗粒铁基材料层的制备方法包括以下步骤:
[0011] 1)制备石墨模具,其内腔形状为锥形,圆锥为20-60°;
[0012] 2)将粒度为300-600μm的陶瓷颗粒与金属粉末使用无乙醇机械混合均匀,得到混合物;
[0013] 3)将步骤2)制得的混合物填充于步骤1)制得的石墨模具中,100℃下烘干,然后放入真空烧结炉内,在1450℃下烧结40-50min,随炉冷却至室温,打开模具,将成型后的预制体取出;
[0014] 4)将步骤3)制得的圆锥状的预制体放入铸型底部,保持一定的间距,采用中频感应炉熔炼铁基金属,金属液出炉前启动真空,通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛,然后进行浇注,得到陶瓷颗粒增强铁基材料层。
[0015] 作为上述技术方案的优选,步骤3)中,所述烧结的条件为:真空度为10-1Pa,烧结45min。
[0016] 作为上述技术方案的优选,所述陶瓷颗粒为化钨陶瓷颗粒、碳化陶瓷颗粒、氮化钛陶瓷颗粒中的一种。
[0017] 一种高耐磨的铁铝层状复合材料的制备方法,包括以下步骤:
[0018] (1)将陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝层、陶瓷颗粒增强铁基材料层层叠,在500℃、压力为45MPa的条件下,热压1-2.5h,得到热压多层复合板材;
[0019] (2)将步骤(1)制得的热压多层复合板材在400-500℃下,进行热轧处理2-3h,得到铁铝复合板;
[0020] (3)将步骤(2)制得的铁铝复合板进行热处理20-30h,得到高耐磨的铁铝层状复合材料。
[0021] 作为上述技术方案的优选,步骤(2)中,所述热轧处理的条件为420℃下,热轧2.5h。
[0022] 作为上述技术方案的优选,步骤(3)中,所述热处理的条件为:真空度为0.025Pa、压力为30MPa、温度为1450℃。
[0023] 本发明具有以下有益效果:
[0024] 本发明将圆锥状的陶瓷颗粒作为增强相分布于铁基体中,其在铁基体中的含量成梯度分布,与基体的结合强度高,在冲击载荷下增强相不易产生掉和剥落;
[0025] 本发明制得的铁铝层状复合材料耐磨性能优异,抗压强度大,抗伸性能好,韧性大,且产品质量稳定,制备方法简单。具体实施方式:
[0026] 为了更好的理解本发明,下面通过实施例对本发明进一步说明,实施例只用于解释本发明,不会对本发明构成任何的限定。
[0027] 实施例1
[0028] 一种高耐磨的铁铝层状复合材料,该层状复合材料包括陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝板层、陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0029] 所述陶瓷颗粒增强铁基材料层是由母体金属与圆锥状增强体构成,所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面,由表及里增强体的体积分数逐渐减小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
[0030] 其制备方法包括以下步骤:
[0031] (1)制备石墨模具,其内腔形状为锥形,圆锥角为30°,底部直径为10mm;
[0032] (2)将粒度为300μm的氮化钛陶瓷颗粒与铁粉末使用无水乙醇机械混合均匀,得到混合物;
[0033] (3)将步骤(2)制得的混合物填充于步骤(1)制得的石墨模具中,100℃下烘干,然后放入真空烧结炉内,10-1Pa下在1450℃下烧结40min,随炉冷却至室温,打开模具,将成型后的预制体取出;
[0034] (4)将步骤(3)制得的圆锥状的预制体放入铸型底部,保持一定的间距,采用中频感应炉熔炼铁基金属,金属液出炉前启动真空泵,通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛,然后进行浇注,得到陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0035] (5)将陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝层、陶瓷颗粒增强铁基材料层层叠,在500℃、压力为45MPa的条件下,热压1h,得到热压多层复合板材;
[0036] (6)将步骤(5)制得的热压多层复合板材在400℃下,进行热轧处理2h,得到铁铝复合板;
[0037] (7)将步骤(6)制得的铁铝复合板载真空度为0.025Pa、压力为30MPa、温度为1450℃下进行热处理20h,得到高耐磨的铁铝层状复合材料。
[0038] 实施例2
[0039] 一种高耐磨的铁铝层状复合材料,该层状复合材料包括陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝板层、陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0040] 所述陶瓷颗粒增强铁基材料层是由母体金属与圆锥状增强体构成,所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面,由表及里增强体的体积分数逐渐减小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
[0041] 其制备方法包括以下步骤:
[0042] (1)制备石墨模具,其内腔形状为锥形,圆锥角为45°,底部直径为15mm;
[0043] (2)将粒度为600μm的氮化钛陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀,得到混合物;
[0044] (3)将步骤(2)制得的混合物填充于步骤(1)制得的石墨模具中,100℃下烘干,然后放入真空烧结炉内,10-1Pa下在1450℃下烧结50min,随炉冷却至室温,打开模具,将成型后的预制体取出;
[0045] (4)将步骤(3)制得的圆锥状的预制体放入铸型底部,保持一定的间距,采用中频感应炉熔炼铁基金属,金属液出炉前启动真空泵,通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛,然后进行浇注,得到陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0046] (5)将陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝层、陶瓷颗粒增强铁基材料层层叠,在500℃、压力为45MPa的条件下,热压2.5h,得到热压多层复合板材;
[0047] (6)将步骤(5)制得的热压多层复合板材在500℃下,进行热轧处理3h,得到铁铝复合板;
[0048] (7)将步骤(6)制得的铁铝复合板载真空度为0.025Pa、压力为30MPa、温度为1450℃下进行热处理30h,得到高耐磨的铁铝层状复合材料。
[0049] 实施例3
[0050] 一种高耐磨的铁铝层状复合材料,该层状复合材料包括陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝板层、陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0051] 所述陶瓷颗粒增强铁基材料层是由母体金属与圆锥状增强体构成,所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面,由表及里增强体的体积分数逐渐减小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
[0052] 其制备方法包括以下步骤:
[0053] (1)制备石墨模具,其内腔形状为锥形,圆锥角为30°,底部直径为10mm;
[0054] (2)将粒度为400μm的碳化钛陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀,得到混合物;
[0055] (3)将步骤(2)制得的混合物填充于步骤(1)制得的石墨模具中,100℃下烘干,然-1后放入真空烧结炉内,10 Pa下在1450℃下烧结45min,随炉冷却至室温,打开模具,将成型后的预制体取出;
[0056] (4)将步骤(3)制得的圆锥状的预制体放入铸型底部,保持一定的间距,采用中频感应炉熔炼铁基金属,金属液出炉前启动真空泵,通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛,然后进行浇注,得到陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0057] (5)将陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝层、陶瓷颗粒增强铁基材料层层叠,在500℃、压力为45MPa的条件下,热压1.5h,得到热压多层复合板材;
[0058] (6)将步骤(5)制得的热压多层复合板材在450℃下,进行热轧处理2.2h,得到铁铝复合板;
[0059] (7)将步骤(6)制得的铁铝复合板载真空度为0.025Pa、压力为30MPa、温度为1450℃下进行热处理22h,得到高耐磨的铁铝层状复合材料。
[0060] 实施例4
[0061] 一种高耐磨的铁铝层状复合材料,该层状复合材料包括陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝板层、陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0062] 所述陶瓷颗粒增强铁基材料层是由母体金属与圆锥状增强体构成,所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面,由表及里增强体的体积分数逐渐减小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
[0063] 其制备方法包括以下步骤:
[0064] (1)制备石墨模具,其内腔形状为锥形,圆锥角为45°,底部直径为15mm;
[0065] (2)将粒度为400μm的碳化钨陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀,得到混合物;
[0066] (3)将步骤(2)制得的混合物填充于步骤(1)制得的石墨模具中,100℃下烘干,然后放入真空烧结炉内,10-1Pa下在1450℃下烧结50min,随炉冷却至室温,打开模具,将成型后的预制体取出;
[0067] (4)将步骤(3)制得的圆锥状的预制体放入铸型底部,保持一定的间距,采用中频感应炉熔炼铁基金属,金属液出炉前启动真空泵,通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛,然后进行浇注,得到陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0068] (5)将陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝层、陶瓷颗粒增强铁基材料层层叠,在500℃、压力为45MPa的条件下,热压1.8h,得到热压多层复合板材;
[0069] (6)将步骤(5)制得的热压多层复合板材在480℃下,进行热轧处理2.4h,得到铁铝复合板;
[0070] (7)将步骤(6)制得的铁铝复合板载真空度为0.025Pa、压力为30MPa、温度为1450℃下进行热处理24h,得到高耐磨的铁铝层状复合材料。
[0071] 实施例5
[0072] 一种高耐磨的铁铝层状复合材料,该层状复合材料包括陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝板层、陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0073] 所述陶瓷颗粒增强铁基材料层是由母体金属与圆锥状增强体构成,所述圆锥状增强体的底部位于所述母体金属上表面,由表及里增强体的体积分数逐渐减小,增强体通过陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成。
[0074] 其制备方法包括以下步骤:
[0075] (1)制备石墨模具,其内腔形状为锥形,圆锥角为60°,底部直径为20mm;
[0076] (2)将粒度为500μm的氮化钛陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀,得到混合物;
[0077] (3)将步骤(2)制得的混合物填充于步骤(1)制得的石墨模具中,100℃下烘干,然后放入真空烧结炉内,10-1Pa下在1450℃下烧结40min,随炉冷却至室温,打开模具,将成型后的预制体取出;
[0078] (4)将步骤(3)制得的圆锥状的预制体放入铸型底部,保持一定的间距,采用中频感应炉熔炼铁基金属,金属液出炉前启动真空泵,通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛,然后进行浇注,得到陶瓷颗粒增强铁基材料层;
[0079] (5)将陶瓷颗粒增强铁基材料层、纯铝层、陶瓷颗粒增强铁基材料层层叠,在500℃、压力为45MPa的条件下,热压2.2h,得到热压多层复合板材;
[0080] (6)将步骤(5)制得的热压多层复合板材在480℃下,进行热轧处理2.6h,得到铁铝复合板;
[0081] (7)将步骤(6)制得的铁铝复合板载真空度为0.025Pa、压力为30MPa、温度为1450℃下进行热处理26h,得到高耐磨的铁铝层状复合材料。
[0082] 下面对本发明制得的高耐磨的铁铝层状复合材料进行性能测试。
[0083] (1)抗伸性能
[0084] 沿垂直于轧制方向切取抗伸试样,参照金属抗伸试验国家标准和抗伸机工作性能,标距部位尺寸是18mm×5mm×2mm;线切割后将试样表面和侧面用不同号的水砂纸进行打磨,直至光亮,消除切割痕迹对表面和抗伸中应力的影响。使用试验设备为INSTRON-5569万能电子试验机,抗伸速率为2mm/min,抗伸性能用抗拉强度来表征,抗拉强度越高,表示抗伸性能越好。
[0085] (2)弯曲性能测试
[0086] 采用三点弯曲试验,其是测量材料弹性模量和强度的一种常用的方法。弯曲性能采用弯曲强度来表征,弯曲强度越大,说明材料的弯曲性能越好。
[0087] 测试结果如表1所示。
[0088] 表1
[0089]
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