專利名稱：CrB的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將鋁熱法與快速凝固工藝相結(jié)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CrB2-FeNiCr復合材料。
背景技術(shù)：
目前，硼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-硼化物混合法制備。
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(jié)得到硼化物增強金屬復合材料。粉末冶金法制備的硼化物增強金屬復合材料之間有一定的孔隙、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(jié)合強度降低。此外，最后的燒結(jié)過程也容易使晶粒長大，不易得到細晶的硼化物增強金屬復合材料。
其中，液態(tài)金屬-硼化物混合法的工藝過程是，先將金屬材料熔化，然后將硼化物顆粒加入到液態(tài)的金屬熔體中，經(jīng)冷卻后得到硼化物增強金屬復合材料。該方法制備的復合材料中硼化物分布不夠均勻，顆粒較大，硼化物顆粒表面容易受到污染，影響硼化物與金屬基體之間的潤濕性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種晶粒尺寸小且成分均勻的CrB2-FeNiCr復合材料。
本發(fā)明的目的之二是提供一種用于制備CrB2-FeNiCr復合材料的鋁熱-凝固裝置，該裝置結(jié)構(gòu)設計合理，簡化了制備工序，降低了材料的制備成本。
本發(fā)明的目的之三是提出一種制備CrB2-FeNiCr復合材料的方法，該方法將鋁熱法與快速凝固工藝相結(jié)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、凝固制得硼化物增強金屬復合材料。
本發(fā)明的一種CrB2-FeNiCr復合材料，由金屬合金基體材料和硼化物增強體組成，所述金屬合金基體材料FeNiCr的重量百分比為70～97，所述硼化物增強體材料CrB2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20～70、鎳Ni的重量百分比為20～50和鉻Cr的重量百分比為10～30。復合材料是Cr6B12Fe40Ni25Cr17或者Cr6B12Fe200Ni50Cr12或者Cr6B12Fe22Ni30Cr30。
所述的CrB2-FeNiCr復合材料中的TiB2晶粒為1～3μm，CrB2-FeNiCr復合材料中的Fe-Ni-Cr晶粒為0.1～1.0μm，CrB2-FeNiCr復合材料強度為1200～2100MPa。
本發(fā)明的一種用于制備CrB2-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(gòu)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。所述電源裝置輸出電壓為10V～36V，輸出功率為1800W～2500W；所述保溫材料為氧化鋁耐火磚或者粘土耐火磚；所述鎢絲的直徑為0.5～1mm。
本發(fā)明的一種制備CrB2-FeNiCr復合材料的鋁熱-快速凝固方法，其包括有以下步驟(A)稱取適量的金屬氧化物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50～75wt％金屬氧化物和25～50wt％鋁粉；(B)調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)腔內(nèi)的水流速度為0.3～0.5m3/min，調(diào)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(guān)，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CrB2、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浮于金屬熔體和硼化物熔體的上部，在重力的作用下，所述金屬和硼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CrB2-FeNiCr復合材料。
所述的鋁熱-快速凝固方法，其金屬氧化物是20～50wt％的Fe2O3、30～45wt％的NiO、10～20wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，并且上述各成分的含量之和為100％；或者20～50wt％的FeO、20～50wt％的NiO、25～40wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，并且上述各成分的含量之和為100％；或者20～50wt％的Fe3O4、20～50wt％的NiO、25～35wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發(fā)明的制備工藝利用了硼化物熔點高的特性，硼化物首先在反應得到的熔體中形核、析出。在凝固過程中，硼化物為金屬熔體提供了形核地點，金屬熔體在硼化物表面非均質(zhì)形核。剛剛形核析出的硼化物非常細小，分布彌散、均勻，為金屬熔體提供了大量的非均質(zhì)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(shù)使溶體冷卻速度提高，凝固冷速加快，高速、大量形核的硼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硼化物增強金屬復合材料，由于晶粒細小以及硼化物的彌散強化作用，鋁熱-快速凝固工藝制備的硼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(jié)構(gòu)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(jié)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CrB2-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(gòu)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)明的一種CrB2-FeNiCr復合材料，由金屬合金基體材料和硼化物增強體組成，所述金屬合金基體材料FeNiCr的重量百分比為70～97，所述硼化物增強體材料TiB2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20～70、鎳Ni的重量百分比為20～50和鉻Cr的重量百分比為10～30。
本發(fā)明中的CrB2-FeNiCr復合材料是Cr6B12Fe40Ni25Cr17或者Cr6B12Fe20Ni50Cr12或者Cr6B12Fe22Ni30Cr30。
CrB2-FeNiCr復合材料中的TiB2晶粒為1～3μm，CrB2-FeNiCr復合材料中的Fe-Ni-Cr晶粒為0.1～1.0μm，CrB2-FeNiCr復合材料強度為1200～2100MPa。
本發(fā)明的一種制備CrB2-FeNiCr復合材料的鋁熱-快速凝固方法，包括有以下步驟(A)稱取適量的金屬氧化物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0～75wt％金屬氧化物和25～50wt％鋁粉；(B)調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)腔101內(nèi)的水流速度為0.3～0.5m3/min，調(diào)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(guān)，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CrB2、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浮于金屬熔體和硼化物熔體的上部，在重力的作用下，所述金屬和硼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CrB2-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(guān)后，鎢絲通電后發(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，使條件石墨管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+硼化物混合熔體的上部；在高溫條件下，石墨管201下部的金屬+硼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，取出含有氧化鋁Al2O3渣層的復合材料，除去渣層便得到了本發(fā)明CrB2-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+硼化物混合熔體的晶粒尺寸是相關(guān)的，為了得到材料組織細小、組織結(jié)構(gòu)均勻、無粗大枝晶，通過調(diào)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。
在本發(fā)明中，金屬氧化物的組份一為20～50wt％的Fe2O3、30～45wt％的NiO、10～20wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，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、25～40wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，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、25～35wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，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0.1～200μm，鋁粉還原劑是粒徑為0.5～500μm的單質(zhì)鋁粉。根據(jù)組份不同所制備得到的CrB2-FeNiCr復合材料的顯微結(jié)構(gòu)、組織形貌、硬度和耐磨性能是不同的。
實施例1制500g的Cr6B12Fe40Ni25Cr17復合材料稱取28.8g的Cr、12.9g的B、318.9g的Fe2O3、187.0g的NiO、84.8g的Cr2O3、57.7g的CrO3和213.8g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-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(diào)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(guān)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Cr6B12Fe40Ni25Cr17復合材料。
上述制備得到的Cr6B12Fe40Ni25Cr17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TiB2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Cr6B12Fe40Ni25Cr17復合材料的壓縮強度為1870MPa。
實施例2制500g的Cr6B12Fe20Ni50Cr12復合材料稱取28.8g的Cr、12.9g的B、318.9g的Fe2O3、187.0g的NiO、84.8g的Cr2O3、57.7g的CrO3和213.8g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(diào)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(guān)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Ti6B12Fe40Ni25Cr17復合材料。
上述制備得到的Cr6B12Fe40Ni255Cr17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CrB2晶粒為1.8μm，材料中的Fe-Ni-Cr晶粒小于1μm。用MTS材料綜合試驗機測量顯微硬度是1500MPa。
實施例3制500g的Cr6B12Fe12Ni30Cr30復合材料稱取28.8g的Cr、12.9g的B、318.9g的Fe2O3、187.0g的NiO、84.8g的Cr2O3、57.7g的CRO3和213.8g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(diào)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(guān)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Cr6B12Fe40Ni25Cr17復合材料。
上述制備得到的Cr6B12Fe40Ni25Cr17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TiB2晶粒為1.8μm，材料中的Fe-Ni-Cr晶粒小于1μm。用MTS材料綜合試驗機測量顯微硬度是1500MPa。
本發(fā)明得到的CrB2-FeNiCr復合材料金屬合金基體為超細晶組織甚至為納米結(jié)構(gòu)，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CrB2等硼化物，不僅可以細化基體組織結(jié)構(gòu)，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，包括高熔點的硼化物在內(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、硼化物原位反應生成，與金屬相結(jié)合強度高；3、借助銅模快速冷卻凝固，能得到晶粒較細的硼化物增強金屬復合材料；4、成本低，工藝簡單，所制備的硼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CrB2-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(jié)構(gòu)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(lǐng)域有廣泛的應用。
權(quán)利要求
1.一種CrB2-FeNiCr復合材料，由金屬合金基體材料和硼化物增強體組成，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，所述硼化物增強體材料CrB2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20～70、鎳Ni的重量百分比為20～50和鉻Cr的重量百分比為10～30。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CrB2-FeNiCr復合材料，其特征在于復合材料是Cr6B12Fe40Ni25Cr17或者Cr6B12Fe20Ni50Cr12或者Cr6B12Fe22Ni30Cr30。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CrB2-FeNiCr復合材料，其特征在于CrB2-FeNiCr復合材料中的TiB2晶粒為1～3μm，CrB2-FeNiCr復合材料中的Fe-Ni-Cr晶粒為0.1～1.0μm，CrB2-FeNiCr復合材料強度為1200～2100MPa。
4.一種用于制備如權(quán)利要求1所述的CrB2-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(gòu)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求5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。
6.一種制備如權(quán)利要求1所述的CrB2-FeNiCr復合材料的鋁熱-快速凝固方法，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50～75wt％金屬氧化物和25～50wt％鋁粉；(B)調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)腔(101)內(nèi)的水流速度為0.3～0.5m3/min，調(diào)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(guān)，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CrB2、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浮于金屬熔體和硼化物熔體的上部，在重力的作用下，所述金屬和硼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CrB2-FeNiCr復合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋁熱-快速凝固方法，其特征在于所述金屬氧化物是20～50wt％的Fe2O3、30～45wt％的NiO、10～20wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，并且上述各成分的含量之和為100％；或者20～50wt％的FeO、20～50wt％的NiO、25～40wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，并且上述各成分的含量之和為100％；或者20～50wt％的Fe3O4、20～50wt％的NiO、25～35wt％的CrO3和10～20wt％的B2O3，并且上述各成分的含量之和為100％。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋁熱-快速凝固方法，其特征在于所述鋁粉是粒徑為0.5～500μm的單質(zhì)鋁粉，所述金屬氧化物的粒徑為0.1～200μm，所述硼粉的粒徑為0.1～200μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種CrB
文檔編號C22C1/05GK1789470SQ20051013250
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)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