專利名稱：一種采用鋁熱－快速凝固工藝制備WC－FeNiCr復合材料的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種將鋁熱法與快速凝固工藝相結合的制備方法，把鋁熱還原反應得到的熔體產(chǎn)物直接注入到銅模具中，利用銅金屬導熱系數(shù)高的特性來實現(xiàn)熔體產(chǎn)物的快速冷卻、凝固，從而得到金屬相與陶瓷相混合均勻的WC-FeNiCr復合材料。
背景技術：
目前，碳化物增強金屬復合材料主要采用粉末冶金方法和液態(tài)金屬-碳化物混合法制備。
其中，粉末冶金方法的過程是，先是將金屬材料和陶瓷粉末混合后經(jīng)壓制成形，最后經(jīng)燒結得到碳化物增強金屬復合材料。粉末冶金法制備的碳化物增強金屬復合材料有一定的孔隙、且晶粒尺寸大。在制備過程中陶瓷相表面易受到污染，從而導致陶瓷相與金屬相的結合強度降低。此外，最后的燒結過程也容易使晶粒長大，不易得到細晶的碳化物增強金屬復合材料。
其中，液態(tài)金屬-碳化物混合法的工藝過程是，先將金屬材料熔化，然后將碳化物顆粒加入到液態(tài)的金屬熔體中，經(jīng)冷卻后得到碳化物增強金屬復合材料。該方法制備的復合材料中碳化物分布不夠均勻，顆粒較大，碳化物顆粒表面容易受到污染，影響碳化物與金屬基體之間的潤濕性。
Mo元素具有強化合金基體，以及提高復合材料的高溫耐磨作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提出一種制備WC-FeNiCr復合材料的方法，該方法將鋁熱法與快速凝固工藝相結合，通過原材料的氧化還原反應產(chǎn)生的高溫熔體熔穿鋁箔后流入銅模的成型腔后經(jīng)冷卻、凝固制得碳化物增強金屬復合材料。
本發(fā)明的目的之二是提供一種晶粒尺寸小且成分均勻的WC-FeNiCr復合材料。
本發(fā)明的目的之三是提供一種用于制備WC-FeNiCr復合材料的鋁熱-快速凝固裝置，該裝置結構設計合理，簡化了制備工序，降低了材料的制備成本。
本發(fā)明是一種采用鋁熱-快速凝固工藝制備WC-FeNiCr復合材料的方法，包括有以下步驟(A)稱取適量的金屬氧化物、碳粉和鋁粉在常溫下混合均勻后制得鋁熱-快速凝固的原材料，并將原材料裝入鋁熱-快速凝固裝置的石墨管內(nèi)；原材料中有50～83wt％金屬氧化物、1～10wt％碳粉和16～40wt％鋁粉；
(B)調節(jié)冷卻水循環(huán)腔內(nèi)的水流速度為0.3～0.5m3/min；調節(jié)電源裝置輸出電壓10～36V，輸出功率1800～2500W；(C)打開電源裝置上的開關，鎢絲點火，在石墨管內(nèi)產(chǎn)生1800～2500℃的高溫條件下原材料被點燃；在高溫條件下上述(A)步驟中稱取的金屬氧化物被鋁Al還原，產(chǎn)生氧化還原反應，獲得WC、Fe、Ni、Cr和Al2O3混合熔體；在氧化還原反應中，上述混合熔體中的Al2O3浮于金屬和碳化物混合熔體的上部，在重力的作用下，所述金屬和碳化物混合熔體熔穿鋁箔后流入水冷銅模的成型腔內(nèi)，快速冷卻凝固成WC-FeNiCr復合材料。
所述的采用鋁熱-快速凝固工藝制備WC-FeNiCr復合材料的方法，其金屬氧化物是20～50wt％的Fe2O3、20～50wt％的NiO、10～20wt％的Cr2O3、5～15wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述各成分的含量之和為100％；或者20～50wt％的FeO、20～50wt％的NiO、20～30wt％的Cr2O3、5～10wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述各成分的含量之和為100％；或者20～50wt％的Fe3O4、20～50wt％的NiO、20～30wt％的Cr2O3、5～15wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述各成分的含量之和為100％。
所述的采用鋁熱-快速凝固工藝制備WC-FeNiCr復合材料的方法，所述鋁粉是粒徑為0.5～500μm的單質鋁粉，所述金屬氧化物的粒徑為0.5～200μm，所述碳粉的粒徑為0.1～200μm。
本發(fā)明的一種采用鋁熱-快速凝固工藝制備得到的WC-FeNiCr復合材料，由金屬合金基體材料和碳化物增強體組成，所述金屬合金基體材料FeNiCr的重量百分比為70～97，所述碳化物增強體材料WC的重量百分比為3～30；其金屬合金基體材料中鐵Fe的重量百分比為20～60、鎳Ni的重量百分比為30～55和鉻Cr的重量百分比為10～25。
所述的WC-FeNiCr復合材料是W6C6Fe40Ni25Cr23或者W6C6Fe23Ni40Cr25或者W6C6Fe23Ni40Cr25。
本發(fā)明的一種用于制備WC-FeNiCr復合材料的鋁熱-快速凝固裝置，包括水冷銅模、電源裝置和反應容器，反應容器安裝在水冷銅模上，反應容器內(nèi)的鎢絲與電源裝置連接；所述反應容器由殼體、石墨管、保溫材料、鎢絲和鋁箔構成，保溫材料填充在石墨管與殼體之間，鎢絲安裝在石墨管的端蓋上，且鎢絲的兩端伸出石墨管并與電源裝置的正負極連接，石墨管的另一端端口設有鋁箔；所述水冷銅模的冷卻水循環(huán)腔是S形，其成型腔是漏斗形，漏斗口與石墨管端口大小適配。
本發(fā)明的制備工藝利用了碳化物熔點高的特性，碳化物首先在反應得到的熔體中形核、析出。在凝固過程中，碳化物為金屬熔體提供了形核地點，金屬熔體在碳化物表面非均質形核。剛剛形核析出的碳化物非常細小，分布彌散、均勻，為金屬熔體提供了大量的非均質形核地點。此外，利用了快速凝固的特性，運用銅?？焖倮鋮s技術使溶體冷卻速度提高，凝固冷速加快，高速、大量形核的碳化物及金屬基體晶核來不及長大或由于同時長大而得不到充分空間，從而得到晶粒細小的碳化物增強金屬復合材料，由于晶粒細小以及碳化物的彌散強化作用，鋁熱-快速凝固工藝制備的碳化物增強金屬復合材料的強度、韌性、耐磨等性能得到明顯提高。


圖1是本發(fā)明鋁熱-快速凝固裝置的結構示意圖。
圖中1.水冷銅模 101.冷卻水循環(huán)腔 102.成型腔2.反應容器 201.石墨管 202.保溫材料 203.鋁箔 204.殼體205.鎢絲 3.原料具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
請參見圖1所示，本發(fā)明的一種用于制備WC-FeNiCr復合材料的鋁熱-快速凝固裝置，包括水冷銅模1、電源裝置和反應容器2，反應容器2安裝在水冷銅模1上，反應容器2內(nèi)的鎢絲205與電源裝置連接；所述反應容器2由殼體204、石墨管201、保溫材料202、鎢絲205和鋁箔203構成，保溫材料202填充在石墨管201與殼體204之間，鎢絲205安裝在石墨管201的端蓋上，且鎢絲205的兩端伸出石墨管201并與電源裝置的正負極連接，石墨管201的另一端端口設有鋁箔203；所述水冷銅模1的冷卻水循環(huán)腔101是S形，其成型腔102是漏斗形，漏斗口與石墨管201端口大小適配。所述電源裝置輸出電壓為10V～36V，輸出功率為1800W～2500W；所述保溫材料202為氧化鋁耐火磚或者粘土耐火磚；所述鎢絲205的直徑為0.5～1mm。
本發(fā)明是一種采用鋁熱-快速凝固工藝制備WC-FeNiCr復合材料的方法，其特征在于包括有以下步驟(A)稱取適量的金屬氧化物、碳粉和鋁粉在常溫下混合均勻后制得鋁熱-快速凝固的原材料3，并將原材料3裝入鋁熱-快速凝固裝置的石墨管201內(nèi)；原材料3中有50～83wt％金屬氧化物、1～10wt％碳粉和16～40wt％鋁粉；(B)調節(jié)冷卻水循環(huán)腔101內(nèi)的水流速度為0.3～0.5m3/min；調節(jié)電源裝置輸出電壓10～36V，輸出功率1800～2500W；(C)打開電源裝置上的開關，鎢絲205點火，在石墨管201內(nèi)產(chǎn)生1800～2500℃的高溫條件下原材料3被點燃；
在高溫條件下上述(A)步驟中稱取的金屬氧化物被鋁Al還原，產(chǎn)生氧化還原反應，獲得WC、Fe、Ni、Cr和Al2O3混合熔體；在氧化還原反應中，上述混合熔體中的Al2O3浮于金屬和碳化物混合熔體的上部，在重力的作用下，所述金屬和碳化物混合熔體熔穿鋁箔203后流入水冷銅模1的成型腔102內(nèi)，快速冷卻凝固成WC-FeNiCr復合材料。
在本發(fā)明的鋁熱-快速凝固制備方法的(C)步驟中，當按下電源裝置上的“啟動”開關后，鎢絲205通電后發(fā)熱，點燃了石墨管201內(nèi)的原材料3，原材料3發(fā)生化學反應，釋放熱量，使石墨管201內(nèi)的溫度達3200℃以上的高溫。金屬氧化物(根據(jù)所制備的金屬基體材料來選取金屬氧化物，在本發(fā)明專利申請中公開了三組，這三組金屬氧化物將在下文中說明)在作為還原劑鋁Al粉的氧化還原反應中，密度小的氧化鋁Al2O3熔體浮于金屬+碳化物混合熔體的上部；在高溫條件下，石墨管201下部的金屬+碳化物混合熔體首先熔穿鋁箔203流入水冷銅模1的成型腔102內(nèi)，通過冷卻水循環(huán)腔101內(nèi)快速流動的冷卻水實現(xiàn)快速冷卻凝固，然后打開水冷銅模1，取出表面覆蓋有氧化鋁Al2O3渣層的復合材料，除去渣層便得到了本發(fā)明WC-FeNiCr復合材料型材。
在本發(fā)明中，快速冷卻凝固工藝與成型腔102的大小、冷卻水循環(huán)腔101水流速度、金屬+碳化物混合熔體的晶粒尺寸是相關的，為了得到材料組織細小、組織結構均勻、無粗大枝晶，通過調節(jié)冷卻水循環(huán)腔101的水流速度便可實現(xiàn)，其快速冷卻凝固工藝簡單，易操作。
在氧化還原反應中，WC的熔點溫度為3150℃，要使所有的產(chǎn)物熔化，則要求原材料3的反應絕熱溫度大于WC的熔點。在3200℃條件下反應產(chǎn)物Fe、Ni、Cr、WC和Al2O3都呈熔融狀態(tài)，由于產(chǎn)物的密度不同，在重力條件下，密度小的Al2O3浮于上部形成Al2O3段層(或者渣層)，最后將此渣層除去。
在本發(fā)明中，金屬氧化物的組份一為20～50wt％的Fe2O3、20～50wt％的NiO、10～20wt％的Cr2O3、5～15wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述各成分的含量之和為100％；金屬氧化物的組份二為20～50wt％的FeO、20～50wt％的NiO、20～30wt％的Cr2O3、5～10wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述各成分的含量之和為100％；金屬氧化物的組份三為20～50wt％的Fe3O4、20～50wt％的NiO、20～30wt％的Cr2O3、5～15wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述各成分的含量之和為100％。各組份之間用相等量的CrO3代替反應物中的Cr2O3可以提高絕熱溫度，更有利于將石墨管201內(nèi)的原材料3被熔化成熔體。所采用的金屬氧化物粒徑為0.5～200μm，所述碳粉的粒徑為0.1～200μm，鋁粉還原劑是粒徑為0.5～500μm的單質鋁粉。根據(jù)組份不同所制備得到的WC-FeNiCr復合材料的顯微結構、組織形貌、硬度和耐磨性能是不同的。
實施例1制500g的W6C6Fe40Ni25Cr23復合材料稱取7.2g的C、287g的Fe2O3、168g的NiO、84.8g的Cr2O3、41g的CrO3、41g的WO和218.5g的Al，上述材料的粒徑為50μm，混合均勻后裝入如圖1所示的鋁熱-快速凝固裝置的石墨管201內(nèi)。
制備時選用的水冷銅模1的成型腔102是直徑為3cm的圓形，其調節(jié)冷卻水流速0.03m3/min，電源裝置輸出電壓12V，輸出功率2000W。
當按下電源裝置上的開關后，石墨管201內(nèi)的上述原料被鎢絲205點燃，發(fā)生氧化還原反應，得到混合熔體，在鋁箔203被熔穿后，混合熔體流入水冷銅模1的成型腔102內(nèi)，被冷卻水快速的凝固成圓柱狀，打開水冷銅模1，取出圓柱狀的復合材料，除去圓柱狀上部的Al2O3渣層即得到W6C6Fe40Ni25Cr23復合材料。
上述制備得到的W6C6Fe40Ni25Cr23復合材料，用掃描電鏡觀察組織形貌，其復合材料組織細密，材料中的WC晶粒為1.8μm，材料中的Fe-Ni-Cr晶粒為小于1μm。用MTS材料綜合試驗機測量該W6C6Fe40Ni25Cr23復合材料的壓縮強度為2050MPa。
實施例2制500g的W6C6Fe23Ni40Cr25復合材料稱取7.2g的C、125.2g的FeO、261.4g的NiO、84.8g的Cr2O3、69.6g的CrO3、41g的WO和199.3g的Al，上述材料的粒徑為50μm，混合均勻后裝入如圖1所示的鋁熱-快速凝固裝置的石墨管201內(nèi)。
制備時選用的水冷銅模1的成型腔102是直徑為3cm的圓形，其調節(jié)冷卻水流速0.03m3/min，電源裝置輸出電壓12V，輸出功率2000W。
當按下電源裝置上的開關后，石墨管201內(nèi)的上述原料被鎢絲205點燃，發(fā)生氧化還原反應，得到混合熔體，在鋁箔203被熔穿后，混合熔體流入水冷銅模1的成型腔102內(nèi)，被冷卻水快速的凝固成圓柱狀，打開水冷銅模1，取出圓柱狀的復合材料，除去圓柱狀上部的Al2O3渣層即得到W6C6Fe23Ni40Cr25復合材料。
上述制備得到的W6C6Fe23Ni40Cr25復合材料，用掃描電鏡觀察組織形貌，該復合材料組織細密，材料中的WC晶粒為1.8μm，材料中的Fe-Ni-Cr晶粒為小于1μm。用MTS材料綜合試驗機測量該W6C6Fe23Ni40Cr25復合材料的壓縮強度為1720MPa。
實施例3制500g的W6C6Fe23Ni40Cr25復合材料稱取7.2g的C、45.9g的Fe3O4、200.0g的NiO、84.8g的Cr2O3、155.2g的CrO3、41g的WO和243.0g的Al，上述材料的粒徑為50μm，混合均勻后裝入如圖1所示的鋁熱-快速凝固裝置的石墨管201內(nèi)。
制備時選用的水冷銅模1的成型腔102是直徑為3cm的圓形，其調節(jié)冷卻水流速0.03m3/min，電源裝置輸出電壓12V，輸出功率2000W。
當按下電源裝置上的開關后，石墨管201內(nèi)的上述原料被鎢絲205點燃，發(fā)生氧化還原反應，得到混合熔體，在鋁箔203被熔穿后，混合熔體流入水冷銅模1的成型腔102內(nèi)，被冷卻水快速的凝固成圓柱狀，打開水冷銅模1，取出圓柱狀的復合材料，除去圓柱狀上部的Al2O3渣層即得到W6C6Fe23Ni40Cr25復合材料。
上述制備得到的W6C6Fe23Ni40Cr25復合材料，用掃描電鏡觀察組織形貌，該復合材料組織細密，材料中的WC晶粒為1.8μm，材料中的Fe-Ni-Cr晶粒為小于1μm。用MTS材料綜合試驗機測量該W6C6Fe23Ni40Cr25復合材料的壓縮強度為1580MPa。
本發(fā)明得到的WC-FeNiCr復合材料金屬合金基體為超細晶組織甚至為納米結構，比一般的鑄態(tài)合金具有更加優(yōu)異的力學性能，用于增強相的WC等碳化物，不僅可以細化基體組織結構，還可以起到彌散強化的作用。
本發(fā)明中的鋁熱-快速凝固工藝與上述兩種工藝相比具有以下優(yōu)點1、鋁熱反應放熱量大，絕熱溫度高，包括高熔點的碳化物在內(nèi)的所有反應產(chǎn)物都處于熔融狀態(tài)，因此可使用鑄造方法得到形狀復雜的致密工件；2、碳化物原位反應生成，與金屬相結合強度高；3、借助銅模快速冷卻凝固，能得到晶粒較細的碳化物增強金屬復合材料；4、成本低，工藝簡單，所制備的碳化物增強金屬復合材料性能優(yōu)異。另外，本發(fā)明使用鋁粉作還原劑，首先是因為鋁粉比鎂、鋯和鈦等還原劑的價格低，其次是因為用鋁作還原劑得到的氧化物產(chǎn)物是氧化鋁，它與金屬熔融產(chǎn)物的潤濕性較差，因此氧化鋁容易與金屬產(chǎn)物分離。
本發(fā)明的WC-FeNiCr復合材料具有優(yōu)異的耐磨性能，高溫環(huán)境下有優(yōu)良的耐高溫腐蝕性能，不僅可用作結構材料，而且也是一種重要的涂層材料，在機械、化工、石油和國防領域有廣泛的應用。
權利要求
1.一種采用鋁熱-快速凝固工藝制備WC-FeNiCr復合材料的方法，其特征在于包括有以下步驟(A)稱取適量的金屬氧化物、碳粉和鋁粉在常溫下混合均勻后制得鋁熱-快速凝固原材料(3)，并將原材料(3)裝入鋁熱-快速凝固裝置的石墨管(201)內(nèi)；原材料(3)中有50～83wt％金屬氧化物、1～10wt％碳粉和16～40wt％鋁粉；(B)調節(jié)冷卻水循環(huán)腔(101)內(nèi)的水流速度為0.3～0.5m3/min，調節(jié)電源裝置輸出電壓10～36V，輸出功率1800～2500W；(C)打開電源裝置上的開關，鎢絲(205)點火，在石墨管(201)內(nèi)產(chǎn)生18002500℃的高溫條件下原材料(3)被點燃；在高溫條件下上述(A)步驟中稱取的金屬氧化物被鋁Al還原，產(chǎn)生氧化還原反應，獲得WC、Fe、Ni、Cr和Al2O3混合熔體；在氧化還原反應中，上述混合熔體中的Al2O3浮于金屬和碳化物混合熔體的上部，在重力的作用下，所述金屬和碳化物混合熔體熔穿鋁箔(203)后流入水冷銅模(1)的成型腔(102)內(nèi)，快速冷卻凝固成WC-FeNiCr復合材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的采用鋁熱-快速凝固工藝制備WC-FeNiCr復合材料的方法，其特征在于所述金屬氧化物是20～50wt％的Fe2O3、20～50wt％的NiO、10～20wt％的Cr2O3、5～15wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述各成分的含量之和為100％；或者20～50wt％的FeO、20～50wt％的NiO、20～30wt％的Cr2O3、5～10wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述各成分的含量之和為100％；或者20～50wt％的Fe3O4、20～50wt％的NiO、20～30wt％的Cr2O3、5～15wt％的CrO3和10～20wt％的WO3，并且上述備成分的含量之和為100％。
3.根據(jù)權利要求1所述的采用鋁熱-快速凝固工藝制備WC-FeNiCr復合材料的方法，其特征在于所述鋁粉是粒徑為0.5～500μm的單質鋁粉，所述金屬氧化物的粒徑為0.5～200μm，所述碳粉的粒徑為0.1～200μm。
4.一種采用如權利要求1所述的鋁熱-快速凝固工藝制備得到的WC-FeNiCr復合材料，由金屬合金基體材料和碳化物增強體組成，其特征在于所述金屬合金基體材料FeNiCr的重量百分比為70～97，所述碳化物增強體材料WC的重量百分比為3～30；其金屬合金基體材料中鐵Fe的重量百分比為20～60、鎳Ni的重量百分比為30～55和鉻Cr的重量百分比為10～25。
5.根據(jù)權利要求4所述的WC-FeNiCr復合材料，其特征在于復合材料是W6C6Fe40Ni25Cr23或者W6C6Fe23Ni40Cr25或者W6C6Fe23Ni40Cr25。
6.根據(jù)權利要求4所述的WC-FeNiCr復合材料，其特征在于WC-FeNiCr復合材料中WC晶粒為0.1～2.0μm，WC-FeNiCr復合材料中Fe-Ni-Cr晶粒為0.1～1.0μm，WC-FeNiCr復合材料強度為1300～2300MPa。
7.一種用于制備如權利要求1所述的WC-FeNiCr復合材料的鋁熱-快速凝固裝置，包括水冷銅模(1)、電源裝置，其特征在于還包括反應容器(2)，反應容器(2)安裝在水冷銅模(1)上，反應容器(2)內(nèi)的鎢絲(205)與電源裝置連接；所述反應容器(2)由殼體(204)、石墨管(201)、保溫材料(202)、鎢絲(205)和鋁箔(203)構成，保溫材料(202)填充在石墨管(201)與殼體(204)之間，鎢絲(205)安裝在石墨管(201)的端蓋上，且鎢絲(205)的兩端伸出石墨管(201)并與電源裝置的正負極連接，石墨管(201)的另一端端口設有鋁箔(203)；所述水冷銅模(1)的冷卻水循環(huán)腔(101)是S形，其成型腔(102)是漏斗形，漏斗口與石墨管(201)端口大小適配。
8.根據(jù)權利要求7所述的鋁熱-快速凝固裝置，其特征在于所述電源裝置輸出電壓為10V～36V，輸出功率為1800W～2500W；所述保溫材料(202)為氧化鋁耐火磚或者粘土耐火磚；所述鎢絲(205)的直徑為0.5～1mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了采用鋁熱－快速凝固工藝制備WC－FeNiCr復合材料的方法及其裝置，經(jīng)鋁熱－快速凝固工藝制備得到的WC－FeNiCr復合材料中金屬合金基體材料FeNiCr的重量百分比為70～97，碳化物增強體材料WC的重量百分比為3～30；其裝置由水冷銅模、電源裝置和反應容器組成，反應容器安裝在水冷銅模上，鎢絲與電源裝置正負極連接，保溫材料填充在石墨管與殼體之間，石墨管的另一端端口設有鋁箔，水冷銅模的冷卻水循環(huán)腔是S形，成型腔是漏斗形。本發(fā)明是將鋁熱法與快速凝固工藝結合起來，把鋁熱反應得到的熔體產(chǎn)物直接注入到銅模中，利用銅金屬導熱系數(shù)高的特性來實現(xiàn)熔體產(chǎn)物的快速冷卻、凝固，從而得到組織均勻、晶粒細小的WC增強金屬復合材料。
文檔編號C22B5/00GK1786233SQ20051013259
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權日2005年12月27日
發(fā)明者席文君, 張濤 申請人:北京航空航天大學