專利名稱：一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用鎳鉻硼鈦(NiCrBTi)作為粘結(jié)合金，應(yīng)用放電等離子燒結(jié)技 術(shù)(spark plasma sintering，簡稱SPS)在鋼基體上制備一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的 立方氮化硼(c-BN)仿生耐磨復(fù)合材料的方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)械部件磨損所造成的能源和材料消耗是十分驚人的，其提前失效的原因 30-60%屬于表面磨損。目前提高機(jī)械部件表面耐磨技術(shù)主要有研發(fā)新型耐磨材料、添加潤 滑材料、從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和表面改性等。研發(fā)耐磨材料已成為世界各國新材料領(lǐng)域 研究發(fā)展的重點(diǎn)，也是世界各國高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競爭的熱點(diǎn)。探索新的耐磨材料和磨損 機(jī)理，尤其是在保證機(jī)械部件的強(qiáng)度、剛度和抗疲勞等性能的前提下，如何提高表面的耐磨 性，備受研究人員關(guān)注，有多篇相關(guān)學(xué)術(shù)論文，見〔1〕摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21 (5) 330-334 ；( 2〕機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40 (6) :71-74等學(xué)術(shù)期刊。在各種磨損形式中，材料的磨粒磨損占到磨損總量的50%左右，其表現(xiàn)形式為硬 顆?；蛴餐黄鹞锸共牧袭a(chǎn)生遷移而造成的一種磨損，具體表現(xiàn)為塑性材料表面的犁溝、微 觀切削以及脆性材料斷裂。通常認(rèn)為耐磨材料的組織應(yīng)當(dāng)是在軟的塑性基體上分布著許多 硬顆粒的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在正常載荷作用下，主要由凸出在摩擦表面的硬質(zhì)相直接承受載荷，而 軟相則起著支持硬質(zhì)相的作用。因此，采用硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)相制備的耐磨復(fù)合材料的研發(fā)思 路一般都是通過提高基體材料的耐磨性和基體材料與顆粒增強(qiáng)相的界面結(jié)合強(qiáng)度以期減 少顆粒增強(qiáng)相的脫落，從而達(dá)到提高材料的耐磨性能。自然界中的生物經(jīng)歷了億萬年的進(jìn)化，其結(jié)構(gòu)與功能已經(jīng)達(dá)到了近乎完美的程 度。生物體表與外部物質(zhì)接觸發(fā)生諸多力學(xué)、物理和化學(xué)過程如自潔、磨損、摩擦、防腐、吸 附、催化、潤滑、粘合和分散等都與其表面組織、結(jié)構(gòu)和性能密切相關(guān)，顯示出極好的防粘、 耐磨、減摩、耐蝕和力學(xué)等綜合功能。生物體通過不同的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和構(gòu)成等彼此之間 的耦合作用而達(dá)到生物功能最優(yōu)化、對環(huán)境適應(yīng)最佳化和能量消耗最低化。生物體都是由 少數(shù)簡單的物質(zhì)構(gòu)成的，大部分屬于有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料，具有不同尺度的多級結(jié)構(gòu)，貝殼 就是一種絕佳的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料。有機(jī)材料具有極好的塑性和韌性，無機(jī)材料具有較 高的硬度，有機(jī)材料與無機(jī)材料耦合構(gòu)建的復(fù)合材料具有良好的韌性和較高的硬度與耐磨 性等綜合性能。普林斯頓大學(xué)的研究人員模仿貝殼的微觀結(jié)構(gòu)，將鋁(Al)充滿在碳化硼 (B4C)之間成功研制堅(jiān)硬又柔軟的新型的仿生復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
對于采用c-BN超硬材料制備的仿生耐磨復(fù)合材料，c-BN單晶顆粒的脫落是其失 效的主要原因之一。c-BN顆粒的脫落與基體材料的耐磨性、顆粒尺寸和形態(tài)、顆粒與基體合 金成分比、顆粒與基體合金的界面結(jié)構(gòu)及仿生耐磨復(fù)合材料表面形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。本發(fā)明的目的在于提供一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料及其制備方法?；诜律詈显O(shè)計(jì)思想，綜合成分、材料和結(jié)構(gòu)等多因素的作用，采用塑性好的鎳鉻硼鈦 (NiCrBTi)作為粘結(jié)合金和c-BN超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相，將NiCrBTi粘結(jié)合金 填充在c-BN單晶顆粒間，采用模具成型的方法，使試樣表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸 包單元體，通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)(spark plasma sintering，簡稱SPS)在鋼基體上制備 表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的c-BN仿生耐磨復(fù)合材料。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種表面具有立方氮化硼仿生耐磨復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料由NiCrBTi作為粘 結(jié)合金和c-BN超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成，NiCrBTi粘結(jié)合金成分配比按重量 百分比計(jì)(Wt% ) =Ni =60-70, Cr =10-20, B :2_5，Ti :10_15。復(fù)合材料中的 c-ΒΝ 單晶顆粒 所占體積百分含量為25-30%，顆粒平均粒度為200 μ m。所述的c-BN仿生耐磨復(fù)合材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，非 光滑凸包單元體表面形態(tài)參數(shù)凸包直徑d = 1.0mm，凸包高度h = 0. 5mm，凸包間距S = 2mm ο一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的C-BN仿生耐磨復(fù)合材料的制備方法，包括以下 工藝步驟第一步，采用顆粒大小為60-80 μ m，純度為99. 99%的Ni、Cr、B、Ti金屬按一定成 分配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金。NiCrBTi粉狀粘結(jié)合金成分配比(按重量百分 比計(jì) ) =Ni 60-70 ；Cr 10-20 ；B :2_5 ；Ti :10_15。將按設(shè)計(jì)成分制備好的 NiCrBTi 粉 狀粘結(jié)合金再與c-BN單晶顆粒按一定配比混合均勻。c-BN仿生耐磨復(fù)合材料中的c-BN單 晶顆粒體積百分含量為25-30%，顆粒平均粒度為200 μ m。第二步，將按設(shè)計(jì)配比混合均勻的NiCrBTi粉狀粘結(jié)合金與c-BN單晶顆粒裝入燒 結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用模具成型的方法，使c-BN仿生耐磨復(fù)合材料表面具有一定規(guī)則 分布的非光滑凸包單元體。圖1是表面形態(tài)分布示意圖及非光滑凸包單元體尺寸。非光滑 凸包單元體表面形態(tài)參數(shù)凸包直徑d = 1. Omm,凸包高度h = 0. 5mm,凸包間距S = 2mm。第三步，采用SPS燒結(jié)技術(shù)制備c-BN仿生耐磨復(fù)合材料。采用SPS燒結(jié)技術(shù)制備 c-BN仿生耐磨復(fù)合材料的工藝參數(shù)為真空度控制在6 X ICT2Pa以上，燒結(jié)溫度700-900°C， 軸向壓力20-30MPa，保溫時間3-10min，升溫速率控制在100°C /min。按照上述工藝制備的c-BN仿生耐磨復(fù)合材料，SPS燒結(jié)技術(shù)利用放電等離子體在 加壓粉體粒子間直接通入脈沖電流，由火花放電瞬間產(chǎn)生的等離子體對MCrBTi粉狀粘結(jié) 合金與c-BN單晶顆粒進(jìn)行加熱。NiCrBTi粉狀粘結(jié)合金在熱效應(yīng)和場效應(yīng)的共同作用下， 凝固微觀組織由Ni固溶體及Ni3B、CrB, Cr5B3、TiNi, Ni3Ti, NiTi2等多種金屬間化合物組 成。Ni固溶體呈圓塊狀，金屬間化合物彌散分布于Ni固溶體的晶界處，對基體合金起到強(qiáng) 化作用。這種微觀結(jié)構(gòu)使基體合金的耐磨性得到顯著改善。本發(fā)明所述的一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的c-BN仿生耐磨復(fù)合材料，是由 NiCrBTi作為粘結(jié)合金和c-BN超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成。粘結(jié)合金成分的確 定非常重要，需要同時兼顧與c-BN單晶顆粒和鋼基體的相互作用。M具有較好的延展性、 高溫性、抗腐蝕性和抗氧化性能，Ni基合金常用于制備高溫合金的基體。Cr是Ni基合金 中的主要添加元素，Cr使M固溶體強(qiáng)化，并提高其抗氧化性。B與Cr形成金屬間化合物， 在M固溶體中起到彌散強(qiáng)化作用。Ti是活性元素，在燒結(jié)過程中起重要作用，能與c-BN單晶顆粒發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)，在界面處形成新相，提高粘結(jié)合金和c-BN單晶顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度。c-BN單晶顆粒的體積百分比含量對c-BN仿生耐磨復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐磨性影響 顯著。c-BN單晶顆粒的體積百分比含量過低或過高均不能發(fā)揮c-BN仿生耐磨復(fù)合材料 的耐磨性優(yōu)勢。c-BN單晶顆粒的體積百分比含量過低導(dǎo)致復(fù)合材料中的增強(qiáng)硬質(zhì)相濃度 低，從磨損機(jī)理和材料耐磨性兩方面來看，起連接和固結(jié)作用的NiCrBTi粘結(jié)合金相對耐 磨性較差，在磨損過程中，NiCrBTi粘結(jié)合金先期被磨損掉，最終將導(dǎo)致c-BN單晶顆粒的脫 落，降低復(fù)合材料的耐磨性。c-BN單晶顆粒的體積百分比含量過高，MCrBTi粘結(jié)合金對 c-BN單晶顆粒的固結(jié)、支撐和連接作用減弱，在進(jìn)行磨損試驗(yàn)，受到較大載荷的作用致使 c-BN單晶顆粒更易脫落，耐磨性降低。通過對比試驗(yàn)，c-BN單晶顆粒的體積百分比含量在 25-30%時，c-BN仿生耐磨復(fù)合材料性價(jià)比最高，耐磨性最好。耐磨復(fù)合材料的研發(fā)思路較多考慮基體材料和增強(qiáng)相的自身性能。單純考慮材料 自身性能對提高復(fù)合材料的耐磨性能是非常有限的。某些生物體材料具有良好的韌性和較 高的硬度與耐磨性等綜合性能，這是因?yàn)樗鼈兺ㄟ^不同的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和構(gòu)成等彼此之 間的耦合作用，表面具有不同尺度的多級結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，c-BN仿生耐磨復(fù)合材料通 過燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用模具成型的方法，使表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包 單元體可以顯著提高其耐磨性能。非光滑凸包單元體的尺寸分布與所添加的增強(qiáng)硬質(zhì)相的 顆粒尺寸密切相關(guān)。通過對比試驗(yàn)，非光滑凸包單元體凸包直徑與c-BN單晶顆粒的平均粒 度之比為5時，耐磨性能最好，也即如果非光滑凸包單元體凸包直徑為1mm，此時所選擇的 c-BN單晶顆粒的平均粒度應(yīng)為200 μ m。本發(fā)明所述的一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的c-BN仿生耐磨復(fù)合材料，是采用 塑性好的NiCrBTi作為粘結(jié)合金，NiCrBTi粉狀粘結(jié)合金成分配比為(按重量百分比計(jì) Wt% ) =Ni 60-70 ；Cr 10-20 ；B :2_5 ；Ti :10_15。c_BN超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相， 在c-BN仿生耐磨復(fù)合材中所占體積百分比含量為25-30%，顆粒的平均粒度應(yīng)為200μπι。 按設(shè)計(jì)配比混合均勻的NiCrBTi粉狀粘結(jié)合金與c-BN單晶顆粒裝入燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處 理，采用模具成型的方法，應(yīng)用SPS燒結(jié)技術(shù)制備出表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包 單元體的c-BN仿生耐磨復(fù)合材料。本發(fā)明所述的一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的C-BN仿生耐磨復(fù)合材料，其表面 形態(tài)為多尺度結(jié)構(gòu)，分別為模具成型的非光滑凸包單元體所構(gòu)建的宏觀毫米級形態(tài)，添加 c-BN單晶顆粒增強(qiáng)硬質(zhì)相所構(gòu)建的微米級形態(tài)與SPS技術(shù)燒結(jié)MCrBTi粉狀粘結(jié)合金凝固 形成的Ni固溶體及Ni3B、CrB、Cr5B3、TiNi、Ni3Ti、NiTi2等多種金屬間化合物所構(gòu)建的微觀 形態(tài)。此時，c-BN仿生耐磨復(fù)合材料包含的增強(qiáng)相為c-BN超硬材料單晶顆粒和多種金屬 間化合物。本發(fā)明所述的采用SPS技術(shù)制備一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的c-BN仿生耐磨 復(fù)合材料，綜合成分、材料和結(jié)構(gòu)等多因素的作用，該技術(shù)具有升溫速度快，燒結(jié)時間短，通 常只需要3-lOmin，僅為傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)的1/100 ；短燒結(jié)溫度低，一般比傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)溫度 低100-200°C，與釬焊法制備c-BN仿生耐磨復(fù)合材料比較，溫度低200-300°C ；顆粒分布均 勻、利于控制燒結(jié)體的細(xì)微結(jié)構(gòu)、獲得材料的致密度較高等優(yōu)點(diǎn)。在ML-100削盤式靜載磨 料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，c-BN仿生耐磨復(fù)合材料的耐磨性為同等條件下淬火45鋼的14-20倍。本發(fā)明所述的一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的C-BN仿生耐磨復(fù)合材料是這樣實(shí) 施的。采用顆粒大小為60-80 μ m，純度為99. 99%的Ni、Cr、B、Ti金屬按一定成分配比組 合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金再與c-BN單晶顆粒按一定配比混合均勻，裝入燒結(jié)模具 進(jìn)行預(yù)壓處理，采用SPS技術(shù)制備c-BN仿生耐磨復(fù)合材料。


圖Ic-BN仿生耐磨復(fù)合材料表面形態(tài)。圖2非光滑凸包單元體表面形態(tài)。圖3凸包與顆粒構(gòu)建多尺度形態(tài)。圖4材料表面的3D形態(tài)。圖5材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。圖6粘結(jié)合金微觀結(jié)構(gòu)(圖5中的A區(qū))。圖7粘結(jié)合金與顆粒界面。
具體實(shí)施例方式通過以下給出的實(shí)施例對本發(fā)明方法作進(jìn)一步具體闡述。本發(fā)明所述的一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的C-BN仿生耐磨復(fù)合材料，采用顆 粒大小為60-80 μ m，純度為99. 99%的Ni、Cr、B、Ti金屬按一定成分配比組合均勻混合制 備成粉狀粘結(jié)合金再與c-BN單晶顆粒按一定配比混合均勻，裝入燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理， 采用SPS技術(shù)制備c-BN仿生耐磨復(fù)合材料。NiCrBTi粉狀粘結(jié)合金成分配比(按重量百 分比計(jì) ) =Ni 60-70 ；Cr 10-20 ；B :2_5 ；Ti :10_15。c-ΒΝ 仿生耐磨復(fù)合材料中的 c-BN 單晶顆粒體積百分含量為25-30%，顆粒平均粒度為200μπι。模具成型所構(gòu)建的非光滑凸 包單元體表面形態(tài)參數(shù)凸包直徑d = 1. 0謹(jǐn)，凸包高度h = 0. 5謹(jǐn)，凸包間距S = 2謹(jǐn)。本發(fā)明所述的一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的c-ΒΝ仿生耐磨復(fù)合材料，達(dá)到的 技術(shù)指標(biāo)⑴耐磨性為同等條件下淬火45鋼的14-20倍；(2) c-BN仿生耐磨復(fù)合材料冶金 結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到180-220Mpa。下述所有實(shí)施例均采用顆粒大小為60-80 μ m，純度為99. 99%的Ni、Cr、B、Ti金 屬按一定成分配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金再與c-BN單晶顆粒按一定配比混合 均勻裝入燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用SPS技術(shù)制備c-BN仿生耐磨復(fù)合材料。c-BN仿生耐 磨復(fù)合材料中的c-BN單晶顆粒體積百分含量為25-30%，顆粒平均粒度為200 μ m。模具成 型所構(gòu)建的非光滑凸包單元體表面形態(tài)參數(shù)凸包直徑d = 1. Omm,凸包高度h = 0. 5mm,凸 包間距S = 2mm。非光滑凸包單元體凸包直徑與c-BN單晶顆粒的平均粒度之比為5。SPS 燒結(jié)技術(shù)制備c-BN仿生耐磨復(fù)合材料的工藝參數(shù)均為真空度控制在6 X IO-2Pa以上，燒結(jié) 溫度700-900°C，軸向壓力20-30MPa，保溫時間3-lOmin，升溫速率控制在100°C /min。實(shí)施例見下表1 表Ic-BN仿生耐磨復(fù)合材料的性能
權(quán)利要求
一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的立方氮化硼仿生耐磨復(fù)合材料，其特征在于，所述的復(fù)合材料由NiCrBTi作為粘結(jié)合金和c BN超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成，NiCrBTi粘結(jié)合金成分配比按重量百分比計(jì)Wt％Ni60 70，Cr10 20，B2 5，Ti10 15，復(fù)合材料中的c BN單晶顆粒所占體積百分含量為25 30％，顆粒平均粒度為200μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面具有立方氮化硼仿生耐磨復(fù)合材料，其特征在于， 所述的c-BN仿生耐磨復(fù)合材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，非光滑凸包 單元體表面形態(tài)參數(shù)凸包直徑d = 1. Omm,凸包高度h = 0. 5mm,凸包間距S = 2mm。
3.用于權(quán)利要求1所述的一種表面具有立方氮化硼仿生耐磨復(fù)合材料的制備方法，其 特征在于，包括以下工藝步驟第一步，采用顆粒大小為60-80 μ m，純度為99. 99%的Ni、Cr、B、Ti金屬按一定成分 配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金，NiCrBTi粉狀粘結(jié)合金成分配比按重量百分比計(jì) Wt% =Ni 60-70 ；Cr 10-20 ；B :2_5 ；Ti 10-15，將按設(shè)計(jì)成分制備好的NiCrBTi粉狀粘結(jié)合 金再與c-BN單晶顆粒按一定體積配比混合均勻，c-BN仿生耐磨復(fù)合材料中的c-BN單晶顆 粒體積百分含量為25-30%，顆粒平均粒度為200 μ m ；第二步，將按設(shè)計(jì)配比混合均勻的NiCrBTi粉狀粘結(jié)合金與c-BN單晶顆粒裝入燒結(jié)模 具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用模具成型的方法，使c-BN仿生耐磨復(fù)合材料表面具有一定規(guī)則分布 的非光滑凸包單元體，非光滑凸包單元體表面形態(tài)參數(shù)凸包直徑d = 1. Omm,凸包高度h =0. 5mm,凸包間距 S = 2mm ；第三步，采用SPS燒結(jié)技術(shù)制備c-BN仿生耐磨復(fù)合材料，采用SPS燒結(jié)技術(shù)制備c-BN 仿生耐磨復(fù)合材料的工藝參數(shù)為真空度控制在6 X IO-2Pa以上，燒結(jié)溫度700-900°C，軸向 壓力20-30MPa，保溫時間3-10min，升溫速率控制在100°C /min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的立方氮化硼仿生耐磨復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。所述的復(fù)合材料由NiCrBTi作為粘結(jié)合金和c-BN超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成，NiCrBTi粘結(jié)合金成分配比按重量百分比計(jì)(Wt％)Ni60-70，Cr10-20，B2-5，Ti10-15。復(fù)合材料中的c-BN單晶顆粒所占體積百分含量為25-30％，顆粒平均粒度為200μm。其制備方法是將NiCrBTi粘結(jié)合金填充在c-BN單晶顆粒間，采用模具成型的方法，使試樣表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)在鋼基體上制備表面具有多尺度耦合結(jié)構(gòu)的c-BN仿生耐磨復(fù)合材料。
文檔編號C22C1/05GK101974718SQ201010560738
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者任振安, 任露泉, 倫幸杰, 盧廣林, 殷世強(qiáng), 白楊, 邱小明 申請人:吉林大學(xué)