[发明专利]铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料制备技术领域，特别涉及一种制备铜基TiC/Al₂O₃复相陶瓷表面颗粒强化复合材料的方法。

技术背景

铜及铜合金由于其良好的导热性、导电性和塑性，在实际生产中的应用十分广泛，例如风口小套、连铸结晶器、电触头材料等。由于其硬度较低，耐磨性差，导致工件更换或生产线频繁维护，造成了巨大的能耗与经济损失。目前缓解零件在恶略工况下冲击磨损的主要方法是表面强化技术，其具有低成本高性能的巨大优势。

目前表面强化技术主要有电镀、多元共渗、热喷涂、激光熔覆等，但是均存在强化层厚度较薄、强化层与基体结合强度低、强化层内强化相体积分数较低等缺陷，限制了工件性能的提高。通过反应熔覆手段制备铜基表面颗粒强化复合材料的方式尚未见报道。

Al₂O₃颗粒与TiC颗粒同属于陶瓷材料，具有很多相似的物理化学性能，如高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特殊性能，是优良的第二相增强体材料。TiC/Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强金属基复合材料能改善单一陶瓷增强相的不足，可提高强化层的强度、硬度和断裂韧性。

自蔓延高温合成法是利用外部提供必要的能量诱发热化学反应，形成燃烧波，此后的反应就可在之前反应的热量支持下继续进行，反应蔓延结束后形成所需的材料。采用自蔓延方法在金属表面制备反应熔覆陶瓷颗粒强化层，无需外界能源；产物均为原位生成，避免了外界的污染与夹杂，保证了力学与物理性能；高的放热温度使得产物为熔体，熔覆于金属表面保证涂层的致密性以及强化层与基体的结合强度，同时节省能源，降低生产成本，提高生产效率，适于工业化批量生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备铸件铜基TiC/Al₂O₃复相陶瓷表面颗粒强化复合材料的方法。此法的特点是操作简单、生产效率高、强化层性能优异。

本发明的原理是：利用浇铸过程中浇铸液体的热量引燃自蔓延反应，原位生成TiC/Al₂O₃陶瓷颗粒，熔覆于铸件表面最终形成陶瓷强化层。

一种铜基碳化钛/氧化铝表面颗粒强化复合材料的制备方法，其特征在于：利用铜液的高温引发自蔓延反应：Fe₂O₃+Al＝Fe+Al₂O₃，Ti+C＝TiC，在铜基铸件表面形成TiC/Al₂O₃复相陶瓷硬质相；自蔓延反应由浇铸温度引发，无需外界能源；产物均为原位生成，避免了外界的污染与夹杂，保证了力学与物理性能；高的放热温度使得产物为熔体，熔覆于金属表面保证涂层的致密性以及强化层与基体的结合强度，其具体步骤如下：

1)氧化铁粉或氧化铜粉、铝粉、钛粉和石墨粉按照质量比27-40％：18-30％：30-40％：7.5-10％进行配料，按照球料比2:1在球磨机中混合1-24小时制成混合粉末；

2)在混合均匀的粉末中加入粘结剂聚乙烯醇水溶液，粘结剂与混合粉末的质量比为1:20-1:100，搅拌均匀制成膏状涂料或直接在压力200MPa下进行压制制成预制块；

3)将膏状涂料涂覆在铸件EPS塑料泡沫模具的表面或涂覆于指定位置，或将预制块粘贴在EPS塑料泡沫模具的表面或指定位置，并在30-50℃干燥1-10小时；

4)将步骤3)得到的铸件模型外涂挂一层耐火防粘砂涂料，在40-50℃烘干4-20小时；

5)在中频感应电炉中熔炼铜液，进行浇铸，在铜基铸件表面形成TiC/Al₂O₃复相陶瓷硬质相；

6)铸件冷却至室温后进行后续热处理或直接进行表面清理、打磨，得到表面为自蔓延反应熔覆TiC/Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强的铜基铸件。