[发明专利]一种稀土改性颗粒增强钢基表层空间构型复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种稀土改性颗粒增强钢基表层空间构型复合材料及其制备方法，属于粉末冶金和复合材料制备技术领域，该复合材料由增强体和基体构成，增强体为稀土粉末、增强颗粒、45钢金属粉的混合粉末，基体为稀土粉末和45钢金属粉的混合粉末，其中稀土粉末为钇粉末或钕粉末，其制备方法是首先将增强体粉末与基体粉末进行球磨，然后将基体粉末放入下模中，利用不同形状的上模打出相应的孔，孔中填入增强体粉末，经振动、预压实，再利用SPS烧结成形，最后经热处理得到稀土改性颗粒增强钢基表层空间构型复合材料；本发工艺简单，成本较低，具有空间构型的增强颗粒在基体中的分布均匀性好、结合强度高，该材料具有较好的耐磨性、抗冲击腐蚀和氧化能力。

技术领域

本发明涉及一种稀土改性颗粒增强钢基表层空间构型复合材料及其制备方法，属于粉末冶金和复合材料制备领域。

背景技术

粉末冶金工艺既是制取金属材料的一种冶金方法，又是制造机械零件的一种加工方法。作为特殊的冶金工艺，可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，作为少无切削工艺之一，可以制造各种精密的机械零件。

采用传统的粉末冶金方法可以制备以钢铁为基掺入碳化物或氧化物等硬质陶瓷颗粒的钢铁基复合材料，但是由于掺入的陶瓷颗粒与金属粉末物理化学性质，表面特征等综合性能之间的不匹配造成混合粉末的流动性、压缩性、成形性、烧结性差的问题，最终导致颗粒增强钢铁基粉末冶金复合材料零件难以推广应用。因此如何解决增强颗粒与金属粉末之间的润湿性，流动性，以及坯料的致密度，烧结性，从而提高材料的综合力学性能还需进一步研究。

中国发明专利 CN104209496A介绍了一种制备颗粒增强金属基表面复合材料的装置及方法，这种方法是将增强颗粒放置于自制的真空实型铸渗装置中的石英管中，借助真空密封技术，提高金属液的充型能力，以利于金属液在增强颗粒间的渗透，从而获得更厚的复合层；这种方法的缺点是泡沫燃烧产生的气体及复合层中的粘结剂气化产生的气体都会使复合材料材料内部容易出现气孔的缺陷，无法生产结构复杂和致密性较高的零部件，并且复合层内的增强颗粒难以避免的产生分布不均匀等现象，影响复合材料的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稀土改性颗粒增强钢基表层空间构型复合材料，该复合材料由增强体和基体构成，增强体为稀土粉末、增强颗粒、45钢金属粉的混合粉末，基体为稀土粉末和45钢金属粉的混合粉末，其中稀土粉末为钇粉末或钕粉末。

本发明采用稀土改性以及空间结构来提高复合材料的整体使用性能，添加稀土能改善基体的强韧性，同时促进弥散颗粒与基体之间的结合强度，弥散颗粒本身具有高强度，高耐磨性、抗腐蚀、抗氧化的优点，与基体结合形成具有空间结构的增强体，能起到钉扎，减小冲击，耐磨损的作用，显著改善了不同组元之间的协同耦合能力，提升了复合材料的综合性能，使之使用寿命显著增加，应用范围更加广泛。

所述复合材料的增强体中45钢金属粉的质量分数为30~60%，增强颗粒的质量分数为39%~69.5%，稀土粉末的质量分数为0.5%~1%。

所述增强颗粒为金属氧化物颗粒或碳化物颗粒，粒径为75~380μm，稀土粉末的粒径为25~150μm。

本发明的另一目的在于提供所述一种稀土改性颗粒增强钢基表层空间构型复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）粉末准备：按照质量分数将增强颗粒、45钢金属粉、稀土粉末混合，然后进行真空球磨，球磨6~12h，待球磨罐冷却1~2h后得到增强体粉末，再将稀土粉末和45钢金属粉混合后进行真空球磨，球磨时间6~12小时，待球磨罐冷却1~2h后，得到基体粉末，其中球磨机转速均为200~300r/min；

（2）预制坯压制：将步骤（1）得到的基体粉末放入模具中，利用不同形状的上模压出相应的孔，再将增强体粉末填满相应的孔，经振动平台振动10~15min，最后利用液压机预压实，压力为10~20MPa，得到稀土改性颗粒增强钢基表层空间构型复合材料的预制坯；