碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法

372 編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng) 來(lái)源：山東理工大學(xué)

2024-10-22 15:26:42

權(quán)利要求

1.一種碳化物增強(qiáng)鐵基金屬復(fù)合材料，其特征在于，以鐵基金屬為基體，碳化物為增強(qiáng)相，通過(guò)粘結(jié)劑噴射成型工藝打印成型得到碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯，對(duì)碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯依次進(jìn)行固化、脫脂和燒結(jié)處理，即得碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料;其中碳化物的用量為鐵基金屬總量的1~10wt.%;

所述的鐵基金屬為鑄鐵、碳素鋼或合金鋼中的一種;

所述的碳化物為碳化硅、碳化鎢或碳化硼中的一種。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于，所述的鐵基金屬的粒徑為5~55μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于，所述的碳化物的粒徑為70~210nm。

4.一種權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將鐵基金屬和碳化物混合后放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到混合粉末;

(2)使用三維建模軟件構(gòu)建三維模型，隨后將模型上傳至粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中;

(3)設(shè)置粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的參數(shù)，對(duì)混合粉末進(jìn)行逐層打印，得到碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯;

(4)對(duì)碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯進(jìn)行固化處理;

(5)將固化后的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯放入真空脫脂燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，即得碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟(1)中，轉(zhuǎn)速為180~200rpm，球磨時(shí)間為2~10h。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟(3)中，3D打印機(jī)的參數(shù)分別為：鋪粉速度20~80mm/s，干燥時(shí)間5~10s，細(xì)滾輪轉(zhuǎn)速150~200rpm，粗滾輪轉(zhuǎn)速50~80rpm，滾輪移動(dòng)速度2~6mm/s，粘結(jié)劑飽和度80~100%，熱量輸出功率80~100%。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟(4)中，固化為熱固化，固化溫度為150~200℃，固化時(shí)間為6~10h。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟(5)中，脫脂溫度為500~800℃，保溫1~2h。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的步驟(5)中，燒結(jié)溫度為1150~1350℃，保溫1~2h。

說(shuō)明書

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

[0002]粘結(jié)劑噴射技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)，其核心原理融合了噴墨打印與粉末床鋪粉打印的精髓。該技術(shù)通過(guò)精準(zhǔn)控制粘結(jié)劑的噴射，直接作用于預(yù)先鋪設(shè)的粉末材料層上(如金屬、陶瓷、聚合物等)，利用粘結(jié)劑的選擇性固化作用，將粉末顆粒逐層粘結(jié)并堆疊起來(lái)，形成初步的打印坯體。這一過(guò)程在室溫環(huán)境下進(jìn)行，避免了固液相轉(zhuǎn)變及其伴隨的熱量轉(zhuǎn)移問(wèn)題，從而有效消除了殘余應(yīng)力與熱應(yīng)力累積的可能性，顯著提升了產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性和加工精度。

[0003]粘結(jié)劑噴射技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其打印過(guò)程的靈活性與經(jīng)濟(jì)性。一方面，該技術(shù)無(wú)需額外的支撐結(jié)構(gòu)，極大地解放了設(shè)計(jì)約束，使得復(fù)雜幾何形狀和高精度細(xì)節(jié)的實(shí)現(xiàn)成為可能，拓寬了其在航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械及電子設(shè)備等高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。另一方面，由于打印過(guò)程中無(wú)需特殊氣氛環(huán)境或高能量源輸入，粘結(jié)劑噴射設(shè)備的運(yùn)行成本相對(duì)較低，相比其他增材制造技術(shù)具有更為顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

[0004]在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是鐵基金屬?gòu)?fù)合材料，通過(guò)引入增強(qiáng)相能夠顯著提升材料的硬度和耐磨性，是提升材料性能、延長(zhǎng)使用壽命的有效途徑。碳化物以其高強(qiáng)度、高硬度及良好的熱穩(wěn)定性，成為金屬基復(fù)合材料中理想的增強(qiáng)體之一。然而，傳統(tǒng)制備工藝往往面臨制備周期長(zhǎng)、能耗高、材料利用率低等問(wèn)題，限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料，將粘結(jié)劑噴射技術(shù)應(yīng)用于碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)材料成分與結(jié)構(gòu)的精確控制，還能在低成本的條件下制備出具有高硬度、高耐磨性且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的元件。

[0006]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，通過(guò)逐層粘結(jié)的方式，將碳化物增強(qiáng)相均勻地分布于鐵基金屬基體中，有效促進(jìn)了增強(qiáng)相與基體之間的界面結(jié)合，提高了復(fù)合材料的整體性能。同時(shí)，該制備方法能夠精確控制材料的形狀及尺寸，減少了材料浪費(fèi)，并避免了后續(xù)復(fù)雜的機(jī)械加工步驟。這不僅提高了生產(chǎn)效率，還顯著降低了生產(chǎn)成本和能耗。

[0007]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料，以鐵基金屬為基體，碳化物為增強(qiáng)相，通過(guò)粘結(jié)劑噴射成型工藝打印成型得到碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯，對(duì)碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯依次進(jìn)行固化、脫脂和燒結(jié)處理，即得碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料;其中碳化物的用量為鐵基金屬總量的1~10wt.%;

所述的鐵基金屬為鑄鐵、碳素鋼或合金鋼中的一種;

所述的碳化物為碳化硅、碳化鎢或碳化硼中的一種。

[0008]所述的鐵基金屬的粒徑為5~55μm。

[0009]所述的碳化物的粒徑為70~210nm。

[0010]所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將鐵基金屬和碳化物混合后放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到混合粉末;

(2)使用三維建模軟件構(gòu)建三維模型，隨后將模型上傳至粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中;

(3)設(shè)置粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的參數(shù)，對(duì)混合粉末進(jìn)行逐層打印，得到碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯;

(4)對(duì)碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯進(jìn)行固化處理，使坯體具有足夠強(qiáng)度;

(5)將固化后的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯放入真空脫脂燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，即得碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料。

[0011]所述的步驟(1)中，球料比為1:2，轉(zhuǎn)速為180~200rpm，球磨時(shí)間為2~10h。

[0012]所述的步驟(3)中，3D打印機(jī)的參數(shù)分別為：鋪粉速度20~80mm/s，干燥時(shí)間5~10s，細(xì)滾輪轉(zhuǎn)速150~200rpm，粗滾輪轉(zhuǎn)速50~80rpm，滾輪移動(dòng)速度2~6mm/s，粘結(jié)劑飽和度80~100%，熱量輸出功率80~100%。

[0013]所述的步驟(4)中，固化為熱固化，固化溫度為150~200℃，固化時(shí)間為6~10h。

[0014]所述的步驟(5)中，脫脂溫度為500~800℃，保溫1~2h。

[0015]所述的步驟(5)中，燒結(jié)溫度為1150~1350℃，保溫1~2h。

[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

(1)本發(fā)明所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料，通過(guò)在鐵基金屬基體中引入適量的碳化物顆粒，誘發(fā)了超固相燒結(jié)現(xiàn)象。此過(guò)程中，局部液相的生成不僅有效填充了素坯中的孔隙，顯著降低了孔隙率，還促進(jìn)了基體與增強(qiáng)相之間的緊密結(jié)合與擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了材料微觀結(jié)構(gòu)的致密化與強(qiáng)化，從而大幅度提升了復(fù)合材料的力學(xué)性能，特別是硬度和耐磨性;

(2)本發(fā)明所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料，通過(guò)引入納米級(jí)碳化物顆粒作為增強(qiáng)相，利用其高比表面積和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵基金屬基體的顯著強(qiáng)化。納米顆粒在基體中的均勻分散，不僅有效阻礙了裂紋的擴(kuò)展，還通過(guò)界面強(qiáng)化作用提升了整體材料的硬度與耐磨性，使得該復(fù)合材料在極端工況下展現(xiàn)出卓越的性能穩(wěn)定性與使用壽命;

(3)本發(fā)明所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，采用粘結(jié)劑噴射成型技術(shù)，打破了傳統(tǒng)制造方法的局限，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜幾何形狀零件的無(wú)支撐直接打印;同時(shí)該制備方法能夠精確控制材料的形狀、尺寸及厚度，減少了材料浪費(fèi)，并避免了后續(xù)復(fù)雜的機(jī)械加工步驟，不僅提高了生產(chǎn)效率，還顯著降低了生產(chǎn)成本和能耗。

附圖說(shuō)明

[0017]圖1為實(shí)施例1中的碳化鎢、碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯和碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的XRD圖;

圖2為實(shí)施例2中的AM40模具鋼的金相圖(×100倍);

圖3為實(shí)施例2中的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的金相圖(×100倍)。

具體實(shí)施方式

[0018]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但其并不限制本發(fā)明的實(shí)施。

[0019]實(shí)施例及對(duì)比例中使用的原料如無(wú)特殊說(shuō)明均為常規(guī)市售原料，實(shí)施例及對(duì)比例中所使用的工藝方法如無(wú)特殊說(shuō)明均為本領(lǐng)域常規(guī)方法。

[0020]實(shí)施例及對(duì)比例中用到的部分原料說(shuō)明如下：

AM40模具鋼，購(gòu)自中科布拉菲材料技術(shù)(東莞)有限公司，為合金鋼;

8620低合金鋼，購(gòu)自中科布拉菲材料技術(shù)(東莞)有限公司，為合金鋼;

灰鑄鐵HT200，購(gòu)自中科布拉菲材料技術(shù)(東莞)有限公司，為鑄鐵。

[0021]實(shí)施例1

所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將粒徑為20±3μm的AM40模具鋼和粒徑為75±5nm的碳化鎢混合后放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到混合粉末;球料比為1:2，碳化鎢的用量為AM40模具鋼總量的6wt.%，轉(zhuǎn)速為200rpm，球磨時(shí)間為10h;

(2)使用三維建模軟件構(gòu)建三維模型，隨后將模型上傳至粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中;

(3)設(shè)置粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的參數(shù)，對(duì)混合粉末進(jìn)行逐層打印，得到碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯;3D打印機(jī)的參數(shù)分別為：鋪粉速度60mm/s，干燥時(shí)間10s，細(xì)滾輪轉(zhuǎn)速200rpm，粗滾輪轉(zhuǎn)速80rpm，滾輪移動(dòng)速度2mm/s，粘結(jié)劑飽和度100%，熱量輸出功率100%;

(4)對(duì)碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯進(jìn)行固化處理，固化為熱固化，固化溫度為150℃，固化時(shí)間為10h;

(5)將固化后的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯放入真空脫脂燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，即得碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料。其中脫脂溫度為500℃，保溫2h;燒結(jié)溫度為1350℃，保溫1h。

[0022]使用XRD衍射儀分別對(duì)碳化鎢(WC)、碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯(WC+BJ)和碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料(WC+燒結(jié))進(jìn)行物相分析，如圖1所示，結(jié)果表明經(jīng)燒結(jié)后碳化鎢的衍射峰強(qiáng)度降低。

[0023]實(shí)施例2

所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將粒徑為20±3μm的AM40模具鋼和粒徑為75±5nm的碳化硅混合后放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到混合粉末;球料比為1:2，碳化硅的用量為AM40模具鋼總量的1wt.%，轉(zhuǎn)速為200rpm，球磨時(shí)間為2h;

(2)使用三維建模軟件構(gòu)建三維模型，隨后將模型上傳至粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中;

(3)設(shè)置粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的參數(shù)，對(duì)混合粉末進(jìn)行逐層打印，得到碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯;3D打印機(jī)的參數(shù)分別為：鋪粉速度60mm/s，干燥時(shí)間8s，細(xì)滾輪轉(zhuǎn)速185rpm，粗滾輪轉(zhuǎn)速60rpm，滾輪移動(dòng)速度3mm/s，粘結(jié)劑飽和度90%，熱量輸出功率90%;

(4)對(duì)碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯進(jìn)行固化處理，固化為熱固化，固化溫度為160℃，固化時(shí)間為8h;

(5)將固化后的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯放入真空脫脂燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，即得碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料。其中脫脂溫度為600℃，保溫1.5h;燒結(jié)溫度為1150℃，保溫2h。

[0024]分別使用光學(xué)顯微鏡對(duì)AM40模具鋼和制得的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2~3所示。由圖2可以看出，AM40模具鋼的孔洞多且大。由圖3可以看出，所制得的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的孔洞明顯減少，表明采用本發(fā)明所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，制備得到的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的致密度有效提高。

[0025]實(shí)施例3

所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將粒徑為50±5μm的8620低合金鋼和粒徑為200±10nm的碳化硼混合后放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到混合粉末;球料比為1:2，碳化硼的用量為8620低合金鋼總量的10wt.%，轉(zhuǎn)速為180rpm，球磨時(shí)間為4h;

(2)使用三維建模軟件構(gòu)建三維模型，隨后將模型上傳至粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中;

(3)設(shè)置粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的參數(shù)，對(duì)混合粉末進(jìn)行逐層打印，得到碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯;3D打印機(jī)的參數(shù)分別為：鋪粉速度80mm/s，干燥時(shí)間5s，細(xì)滾輪轉(zhuǎn)速200rpm，粗滾輪轉(zhuǎn)速60rpm，滾輪移動(dòng)速度6mm/s，粘結(jié)劑飽和度80%，熱量輸出功率100%;

(4)對(duì)碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯進(jìn)行固化處理，固化為熱固化，固化溫度為200℃，固化時(shí)間為6h;

(5)將固化后的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯放入真空脫脂燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，即得碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料。其中脫脂溫度為600℃，保溫1.5h;燒結(jié)溫度為1350℃，保溫2h。

[0026]實(shí)施例4

所述的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將粒徑為10±5μm的灰鑄鐵HT200和粒徑為75±5nm的碳化硅混合后放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到混合粉末;球料比為1:2，碳化硅的用量為灰鑄鐵HT200總量的5wt.%轉(zhuǎn)速為200rpm，球磨時(shí)間為6h;

(2)使用三維建模軟件構(gòu)建三維模型，隨后將模型上傳至粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中;

(3)設(shè)置粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)的參數(shù)，對(duì)混合粉末進(jìn)行逐層打印，得到碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯;3D打印機(jī)的參數(shù)分別為：鋪粉速度20mm/s，干燥時(shí)間10s，細(xì)滾輪轉(zhuǎn)速150rpm，粗滾輪轉(zhuǎn)速50rpm，滾輪移動(dòng)速度6mm/s，粘結(jié)劑飽和度90%，熱量輸出功率80%;

(4)對(duì)碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯進(jìn)行固化處理，固化為熱固化，固化溫度為180℃，固化時(shí)間為8h;

(5)將固化后的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬材料素坯放入真空脫脂燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，即得碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料。其中脫脂溫度為800℃，保溫1h;燒結(jié)溫度為1350℃，保溫1h。

[0027]對(duì)比例1

與實(shí)施例1的區(qū)別在于，碳化鎢的用量為AM40模具鋼總量的0.02wt.%，其他同實(shí)施例1。

[0028]對(duì)比例2

與實(shí)施例1的區(qū)別在于，碳化鎢的用量為AM40模具鋼總量的20wt.%，其他同實(shí)施例1。

[0029]分別對(duì)實(shí)施例1~4及對(duì)比例1~2制得的復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試方法如下：

硬度：參照GB/T 4340.1-2009進(jìn)行測(cè)試;

孔隙率：參照GB/T 43101-2023進(jìn)行測(cè)試;

質(zhì)量磨損：參照GB/T 12444.1-1990進(jìn)行測(cè)試，采用MMW-1型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)力為150N，轉(zhuǎn)速為300rpm，測(cè)試時(shí)間為20min，測(cè)定其磨損量。

[0030]測(cè)試結(jié)果如表1所示。

[0031]表1 性能測(cè)試結(jié)果

[0032]由表1數(shù)據(jù)可知，實(shí)施例1~4制備的碳化物增強(qiáng)鐵基金屬?gòu)?fù)合材料的硬度≥302.71Hv，孔隙率≤5.66%，質(zhì)量磨損≤30mg，表明通過(guò)引入納米級(jí)碳化物顆粒作為增強(qiáng)相，提升了鐵基金屬材料的硬度與耐磨性。對(duì)比例1相較于實(shí)施例1，由于碳化鎢的用量過(guò)少，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵基金屬基體的顯著強(qiáng)化，所以其性能均有所下降。對(duì)比例2相較于實(shí)施例1，由于引入的碳化鎢過(guò)多，導(dǎo)致鐵基金屬基體的脆性增大，所以其性能也有所下降。

說(shuō)明書附圖(3)