一種仿生耦合耐磨材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿生耦合耐磨材料的制備方法，該方法是將Cu-Ti-B4C體系粉末壓制成長方形預制塊，按一定排布規(guī)律放置在鑄件容易磨損失效部位，澆鑄基體鋼液，依靠澆入鋼液的高溫引燃Cu-Ti-B4C預制塊發(fā)生自蔓延反應，形成的TiC-TiB2陶瓷/[Fe,Cu]長方形仿生硬質(zhì)單元體以一定的分布規(guī)律復合在柔韌的鋼基體上，從而制備出一種強度、硬度與韌性兼具的仿生耦合耐磨材料。本發(fā)明制備的仿生耦合耐磨材料具有良好的耐磨性，并且制備工藝簡便、能耗低，易于推廣應用，為工程部件減摩、抗磨問題提供一種行之有效的仿生耐磨新方法。
【專利說明】ー種仿生耦合耐磨材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種在摩擦磨損和磨粒磨損エ況條件下使用的仿生耦合耐磨材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]工程中隨處可見的磨損問題造成了極大的經(jīng)濟損失，磨損失效也是機械事故高發(fā)的重要原因，因此，提高機械部件材料的耐磨性能，是眾多工程領域亟待解決的問題。目前，國內(nèi)外對于傳統(tǒng)的機械抗磨材料進行了一系列的材料改性或表面硬化處理等研究，同吋，也致力于開發(fā)新型耐磨材料。但是，上述針對材料減摩、耐磨問題的研究，仍存在較多不足，主要表現(xiàn)在:
[0003]①調(diào)節(jié)成分以改進和優(yōu)化材料耐磨性能，不同的機械零件材料具有不同的局限性，使材料應用受到限制；
[0004]②雖然提高了材料的磨損性能，但卻因此導致了其他方面性能的下降；
[0005]③開發(fā)ー些新型耐磨材料研究存在エ藝復雜、制造成本高，資源浪費嚴重等問題，同時，不易實現(xiàn)大體積和復雜耐磨部件制造等問題。由此可見，有關提高機械部件材料減摩、抗磨設計與制備技術的研究亟待探索。
[0006]自然界中許多生物體具有優(yōu)異減摩、耐磨功能，它們在有磨損發(fā)生的環(huán)境中生存，對沙粒等硬物的磨損具有與生俱來的耐受能力，如螻蛄、蜣螂、穿山甲、潮間帶貝類以及生活在沙漠地區(qū)的沙漠蜥蜴等。研究發(fā)現(xiàn)，這些長期穿梭于砂石和土壌等硬物中的生物體表普遍存在幾何非光滑形態(tài)特征，即一定幾何形狀(凸包形、凹坑形、條紋形等)的結構單元隨機地或規(guī)律地分布于體表某些易磨損部位。這些非光滑単元體在力學特性上可表現(xiàn)為剛性的、彈性的或柔性的等等，通過化合、融合、復合、嵌合等方式與機體結合。同時，耐磨生物易磨損部位不僅具有非光滑形態(tài)，還具有特殊的結構和多相材料等特征，如貝殼體表不僅具有條紋形非光滑形態(tài)特征，而且其內(nèi)部的珍珠層是由易碎的硬質(zhì)陶瓷碳酸鈣(文石)和柔韌的有機質(zhì)以“磚泥”結構交替層疊排列組成，具有良好的耐磨性。
[0007]生物多因素耦合耐磨特性，為工程材料減摩、抗磨研究提供了重要的仿生理念和天然的生物藍本，亦為開發(fā)新型的減摩、抗磨技術帶來了啟示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明打破傳統(tǒng)工程材料抗磨損研究理念，將生物特殊形態(tài)、復合結構和多相材料等多因素協(xié)同、耦合耐磨功能原理，應用于工程材料設計與制備中，目的是提供一種エ藝簡便、設備簡單、能耗低，且易于推廣應用的仿生耦合耐磨材料的制備方法，立足于解決具有重大科學和工程應用背景的減摩、耐磨問題。本發(fā)明采用仿生學理念，尋求合理的仿生耦合耐磨材料設計方法，開發(fā)簡單實用的適合簡單與復雜部件的仿生耦合耐磨材料制備エ藝，從而為制備耐磨功能最優(yōu)化、磨損エ況適應最佳化、本身能量消耗最低化的仿生耦合耐磨材料和開發(fā)仿生耦合耐磨新技術奠定基礎。[0009]本發(fā)明的方法是:將Cu-T1-B4C體系粉末壓制成長方形単元體，按一定排布規(guī)律放置在鑄件容易磨損失效部位，澆鑄基體鋼液，依靠澆入鋼液的高溫引燃Cu-T1-B4C體系単元體預制塊發(fā)生自蔓延反應，形成的TiC-TiB2陶瓷/[Fe，Cu]長方形仿生硬質(zhì)單元體以一定的分布規(guī)律復合在柔韌的鋼基體上，從而制備出ー種強度、硬度與韌性兼具的仿生耦合耐磨材料。
[0010]澆鑄基體鋼液后，形成的硬質(zhì)仿生單元體材料是由TiC、TiB2、Fe和Cu組成，其中，TiC陶瓷為橢球形，TiB2陶瓷為六棱柱形，尺寸為微米級。
[0011]具體エ藝過程包括仿生單元體壓坯制備和反應形成仿生耦合耐磨材料兩個階段:
[0012]1)仿生單元體壓坯制備:
[0013]a.仿生單元體壓坯材料組成:壓壞原材料為粉末狀，由粒度小于100 μ m的Cu粉、Ti粉和B4C粉組成，其中，Cu的重量百分比為10%~60%，其余為Ti粉和B4C粉，反應合成的TiC和TiB2摩爾比1:2 ；
[0014]b.混料:按照上述比例稱取粉料，并裝入球磨機中混料8± 1小吋，混合均勻；
[0015]c.仿生單元體壓坯制備:把混合均勻的壓坯原材料放入模具中，在室溫下壓制成長方形單兀體壓還，長為20_~100mm,寬為5_~30mm,高為10_~40mm,且仿生單兀體壓坯緊實率為理論密度的60±5% ；
[0016]2)反應形成仿生耦合耐磨材料:
[0017]a.仿生單元體壓坯真空除氣處理:將壓制好的壓坯放入真空加熱裝置內(nèi)，真空度≥lOlpa，以20。。/min的加熱速率加熱至300で~400°C，除氣2h~3h ;
[0018]b.鑄型要求:鋼液澆鑄采用沙型；
[0019]c.基體鋼液要求:為了能夠引燃預仿生単元體壓坯發(fā)生自蔓延高溫合成反應生成TiC-TiB2陶瓷/[Fe，Cu]硬質(zhì)仿生單元體，鋼液溫度為1400°C~1500°C ；
[0020]d.仿生單元體壓坯在鋳型內(nèi)的放置:在鑄件需增強的部位放置已真空出氣處理的仿生單兀體壓還，壓還間距0.5cm~5cm ；
[0021]e.澆鑄基體鋼液引燃単元體壓坯反應合成仿生耦合耐磨材料。
[0022]本發(fā)明與目前已有的技術相比的有益效果:
[0023]1、本發(fā)明基于生物易磨損部位分布硬質(zhì)單元體以減摩、耐磨的原理，將金屬液內(nèi)原位自蔓延燃燒合成法與鋳造法相結合，依靠澆入鋼液的高溫引燃Cu-T1-B4C體系単元體預制塊發(fā)生自蔓延反應，鋼液滲于仿生単元體壓坯內(nèi)，在壓坯處形成TiC-TiB2陶瓷/[Fe, Cu]長方形仿生硬質(zhì)單元體，其以一定的分布規(guī)律復合在柔韌的鋼基體上。鋼液在引燃硬質(zhì)單元體自蔓延反應過程中，便與之產(chǎn)生了良好的冶金結合，這不僅省去了硬質(zhì)單元體単獨合成及與基體的連接エ序，簡化了エ藝，而且具有較高的連接質(zhì)量，因此，這種仿生設計理念與制造技術符合自然界生物以最低物質(zhì)和能量消耗來滿足最大的功能需求原理。
[0024]2、在微觀上，仿生硬質(zhì)單元體是由硬質(zhì)TiC、TiB2陶瓷和韌性鋼基體([Fe，Cu])組成，形成“硬相”與“韌相”相結合的特點；在宏觀上，仿生條紋形硬質(zhì)單元體規(guī)律地復合在鋼基體上，形成“硬相”與“韌相”相結合的特點，因此，本發(fā)明制備的仿生耦合耐磨材料在微觀和宏觀上，皆具有“剛性強化”和“柔性吸收”的耦合特性，在磨損過程中，應カ會得到雙重吸收與緩釋，有利于進ー步提高磨損抗力。同時，根據(jù)不同的磨損エ況，通過改變TiC和TiB2陶瓷的含量可調(diào)節(jié)仿生硬質(zhì)單元體的綜合性能，以改變仿生耦合耐磨材料的磨損性能。制備出的仿生耦合耐磨材料磨損性能得到很大提高，見表1。
[0025]3、本發(fā)明采用的仿生設計理念與制造技術不僅適合簡單零部件制造，而且適合形狀復雜的零部件的制造，并較好地解決了在一個零件中同時要求多種性能優(yōu)化組合的材料設計關鍵難題，即在易磨損失效部位進行仿生耦合耐磨設計，而非失效部位仍為金屬基體，具有高的強韌性，承受著各種交變載荷對零件的摩擦與磨損，使零件高壽命地服役。
[0026]表1:仿生耦合耐磨材料的耐磨性
[0027]
【權利要求】
1.一種仿生耦合耐磨材料的制備方法，該方法是:將Cu-T1-B4C體系粉末壓制成長方形単元體，按一定排布規(guī)律放置在鑄件容易磨損失效部位，澆鑄基體鋼液，依靠澆入鋼液的高溫引燃Cu-T1-B4C體系單元體預制塊發(fā)生自蔓延反應，形成的TiC-TiB2陶瓷/ [Fe, Cu]長方形仿生硬質(zhì)單元體以一定的分布規(guī)律復合在柔韌的鋼基體上，從而制備出ー種強度、硬度與韌性兼具的仿生耦合耐磨材料。
2.根據(jù)權利要求1所述ー種仿生耦合耐磨材料的制備方法，其特征在于:澆鑄基體鋼液后，形成的硬質(zhì)仿生單元體材料是由TiC、TiB2、Fe和Cu組成，其中，TiC陶瓷為橢球形，TiB2陶瓷為六棱柱形，尺寸為微米級。
3.根據(jù)權利要求1所述的ー種仿生耦合耐磨材料的制備方法，該方法包括仿生單元體壓坯制備和反應形成仿生耦合耐磨材料兩個階段: 1)仿生單元體壓坯制備: a.仿生單元體壓坯材料組成:壓壞原材料為粉末狀，由粒度小于3.5-100 μ m的Cu粉、Ti粉和B4C粉組成，其中，Cu的重量百分比為10%-60%，其余為Ti粉和B4C粉，反應合成的TiC和TiB2摩爾比1:2 ； b.混料:按照上述比例稱取粉料，并裝入球磨機中混料8±1小時，混合均勻； c.仿生單元體壓坯制備:把混合均勻的壓坯原材料放入模具中，在室溫下壓制成長方形單兀體壓還，長為20_100mm,寬為5_30mm,高為10_40mm,且仿生單兀體壓還緊實率為理論密度的60±5% ； 2)反應形成仿生耦合耐磨材料: a.仿生單元體壓坯真空除氣處理:將壓制好的壓坯放入真空加熱裝置內(nèi)，真空度≤lOlpa，以20。。/min的加熱速率加熱至300で-400°C，除氣2h~3h ; b.鋳型要求:鋼液澆鑄采用沙型； c.基體鋼液要求:為了能夠引燃預仿生単元體壓坯發(fā)生自蔓延高溫合成反應生成TiC-TiB2陶瓷/[Fe，Cu]硬質(zhì)仿生單元體，鋼液溫度保證在1400°C~1500°C ； d.仿生單元體壓坯在鋳型內(nèi)的放置:在鑄件需增強的部位放置已真空出氣處理的仿生單兀體壓還，壓還間距0.5cm~5cm ； e.澆鑄基體鋼液引燃単元體壓坯反應合成仿生耦合耐磨材料。
【文檔編號】B22D19/16GK103447504SQ201310366643
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權日:2013年8月21日
【發(fā)明者】梁云虹, 趙騫, 韓麗麗, 李秀娟, 張志輝, 任露泉 申請人:吉林大學