一種高強(qiáng)、高韌的仿生功能表面耐磨復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)、高韌的仿生功能表面耐磨復(fù)合材料的制備方法，以碳鋼為基體材料，在光滑碳鋼基體表面加工出不同間距和深徑比的圓形凹坑或不同間距和深寬比的條紋形凹坑，將Al-Ti-C體系硬質(zhì)單元體原始粉末置于凹坑內(nèi)并壓實(shí)，通過燒結(jié)技術(shù)，制備原位內(nèi)生TiC-Al基金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)硬質(zhì)單元體，從而制造出一種具有良好強(qiáng)度、硬度和韌性的仿生耐磨復(fù)合材料。本發(fā)明所制備出的仿生耐磨復(fù)合材料不但具有良好的耐磨性而且生產(chǎn)成本低，加工制造方便，適用范圍廣。為實(shí)現(xiàn)工程中零部件抗磨、耐磨問題的解決提供了一種有效的方法。
【專利說明】一種高強(qiáng)、高韌的仿生功能表面耐磨復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在摩擦或磨粒磨損工況下使用的仿生耐磨復(fù)合材料的加工制備方法。
技術(shù)背景
[0002]機(jī)械零部件的磨損問題廣泛存在于機(jī)械加工的各個(gè)領(lǐng)域。因磨損而造成的機(jī)械零部件的損壞不但影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量降低生產(chǎn)效率，而且頻繁地更換磨損件容易造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。因此，提高機(jī)械零部件的抗磨、耐磨性是工程領(lǐng)域內(nèi)急需解決的問題。為解決該問題，國(guó)內(nèi)外的研究人員不但在采用比較傳統(tǒng)的方式提高材料的耐磨性上努力，而且更致力于開發(fā)新材料。但是以上措施都存在著較多的不足之處。比如:①通過改變材料的組成成分以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)耐磨、抗磨性能的方法有其應(yīng)用范圍的限制，不同的材料需要不同的材料配比，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用推廣較為不易；②有些提高材料抗磨、耐磨性能的方法會(huì)影響其他方面的性能，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)材料兼具多種性能的要求；③對(duì)于新材料的開發(fā)與研究，普遍存在著生產(chǎn)成本高、加工工藝比較復(fù)雜而且普遍存在著適用范圍較小等問題。因此，對(duì)提高機(jī)械零部件所用材料抗磨、耐磨性能的研究亟待探索。
[0003]生物界中諸多具有的良好抗磨、耐磨性結(jié)構(gòu)的生物為我們提供了設(shè)計(jì)思路。自然界中許多生物諸如蜣螂、貝殼等具有十分優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，在長(zhǎng)期的自然進(jìn)化的過程中它們?cè)诰哂心p的環(huán)境中生存，逐漸進(jìn)化出了良好的抗磨損能力。這些具有優(yōu)良摩擦學(xué)性能的生物體體表普遍存在著幾何非光滑形態(tài)特征，即具有一定幾何形狀(凹坑形、和條紋形等)的結(jié)構(gòu)單元以隨機(jī)或有規(guī)律地分布在其體表容易發(fā)生磨損的地方。這些幾何非光滑單元體不但具有很好的剛性、韌性，而且這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)通過多種方式與機(jī)體發(fā)生穩(wěn)固連接，從而形成了這些生物所具有的優(yōu)良摩擦學(xué)性能，保證它們不受砂礫等硬物的損傷。
[0004]生物體體表的幾何非光滑形態(tài)具有的優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，這為提高工程中所用材料的抗磨、耐磨性提供了重要的仿生設(shè)計(jì)思路。因此，本發(fā)明采用仿生學(xué)理念，尋找一種有效的仿生耐磨復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備方法，制備出一種既簡(jiǎn)單實(shí)用、應(yīng)用范圍廣又具有優(yōu)良抗磨、耐磨性的材料。從而為制備出具有優(yōu)良的抗磨性能、能夠適應(yīng)較多的磨損工況、加工制造中能量消耗較低的仿生耐磨復(fù)合材料新技術(shù)奠定良好的基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明將生物體體表的幾何非光滑形態(tài)所具有的優(yōu)良摩擦學(xué)性能應(yīng)用到工程材料抗磨、耐磨的設(shè)計(jì)制造中。以尋求獲得一種簡(jiǎn)單實(shí)用、適用范圍廣的抗磨、耐磨材料設(shè)計(jì)制備工藝，從而為工程領(lǐng)域內(nèi)機(jī)械零部件抗磨、耐磨性問題的解決提供一種有效的方法。
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)、高韌的仿生功能表面耐磨復(fù)合材料的制備方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是基于生物體體表的幾何非光滑形態(tài)具有優(yōu)良耐磨性的原理，以碳鋼為基體材料，通過機(jī)械加工技術(shù)，在光滑碳鋼基體的表面上加工出不同間距和深徑比的圓形凹坑或不同間距和深寬比的條紋形凹坑，將Al-T1-C體系硬質(zhì)單元體原始粉末置于凹坑內(nèi)并壓實(shí)，通過燒結(jié)技術(shù)，制備原位內(nèi)生TiC-Al基金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)單元體，從而制造出一種具有良好強(qiáng)度、硬度和韌性的仿生耐磨復(fù)合材料。具體工藝過程包括硬質(zhì)單元體材料的制備和反應(yīng)生成仿生耐磨復(fù)合材料兩個(gè)階段:
[0008]I)、硬質(zhì)單元體材料的制備:
[0009]a.硬質(zhì)單元體原始粉末的組成:材料呈現(xiàn)粉末狀，是由粒度小于90 μ m的Al粉、Ti粉以及C粉組成，其中，Al的重量百分比為10%?60%，Ti粉和C粉加在一起的重量百分比為90%?40%，其中Ti和C摩爾比是1:1 ；
[0010]b.混料:按照a中所述的配料比稱取粉末，放入球磨機(jī)中進(jìn)行混合，混合時(shí)間為7±1小時(shí)；
[0011]c.碳鋼基體上圓形凹坑或條紋形凹坑的加工:利用數(shù)控銑床在光滑碳鋼基體表面加工深為5?IOmm,直徑為5?IOmm,中心距為15?25_的圓形凹坑，或是深為8?IOmm,寬度為5?IOmm,間距為6?10_的條紋形凹坑；
[0012]d.硬質(zhì)單元體原始粉末的裝填與壓實(shí):將硬質(zhì)單元體原始粉末裝入已加工好的凹坑內(nèi)，并將其壓實(shí)；緊實(shí)率是其理論密度的55±5% ;
[0013]2)、反應(yīng)生成仿生耐磨復(fù)合材料:
[0014]e.燒結(jié)裝置的真空除氣處理:將裝有硬質(zhì)單元體材料的碳鋼基體放入真空加熱裝置內(nèi)，調(diào)節(jié)真空度最小值為KT1Mpa,并以25°C /min的加熱速率將硬質(zhì)單元體材料加熱至300°C?400°C，維持2?3個(gè)小時(shí)，實(shí)現(xiàn)抽真空處理；完成抽真空后通入氬氣并保持加熱裝置內(nèi)的壓力為一個(gè)大氣壓；
[0015]f.硬質(zhì)單元體生成:通過安裝在燒結(jié)設(shè)備側(cè)壁上的電阻絲以25°C /mim的加熱速率，將完成抽真空處理的硬質(zhì)單元體材料加熱到1000°C，加熱裝置內(nèi)的高溫可以引發(fā)硬質(zhì)單元體材料整體發(fā)生自蔓延高溫合成反應(yīng),硬質(zhì)單元體材料最終變成了含有TiC陶瓷的硬質(zhì)單元體，并與碳鋼基體之間存在著牢固的連接，至此制備出了仿生耐磨復(fù)合材料；
[0016]所述硬質(zhì)單元體的成分是Al、TiC和Fe，其中，TiC是呈橢球形的陶瓷，尺寸是微米級(jí)。
[0017]所選用的碳鋼基體成分中C與Mn的重量百分比含量為C是0.35 % ,Mn是0.18 %。
[0018]本發(fā)明與目前已有的技術(shù)相比的有益效果:
[0019]1、本發(fā)明是基于生物體體表的幾何非光滑形態(tài)具有優(yōu)良抗磨、耐磨的原理。將機(jī)械加工技術(shù)與碳鋼基體凹坑內(nèi)原位內(nèi)生TiC-Al基金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)單元體燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合。通過高溫引發(fā)硬質(zhì)單元體材料發(fā)生自蔓延反應(yīng)，將硬質(zhì)單元體和碳鋼基體燒結(jié)成一個(gè)整體。反應(yīng)生成的硬質(zhì)單元體與碳鋼基體存在著牢固的連接，這種制造方法簡(jiǎn)化了加工步驟，沒有硬質(zhì)單元體的單獨(dú)的燒結(jié)和將之與碳鋼基體連接的加工工序，節(jié)省了生產(chǎn)成本，提高了加工效率。
[0020]2、從宏觀和微觀上觀察該型仿生耐磨復(fù)合材料。從宏觀角度上觀察，仿生圓形或條紋形硬質(zhì)單元體均勻的分布在碳鋼基體上，這就形成了質(zhì)地堅(jiān)硬的硬質(zhì)單元體和質(zhì)地相對(duì)柔軟的碳鋼基體相結(jié)合的特點(diǎn)；從微觀角度上觀察，硬質(zhì)單元體是由堅(jiān)硬的TiC陶瓷和相對(duì)柔軟的碳鋼基體([Fe，Al])組成，同樣是一種“堅(jiān)硬”與“柔韌”相結(jié)合的特征，這著剛?cè)嵯酀?jì)的特點(diǎn)讓該型仿生耐磨復(fù)合材料在實(shí)際的磨損過程中具有對(duì)摩擦應(yīng)力的雙重吸收和釋放的力學(xué)特點(diǎn)。這有利于進(jìn)一步提高其抗磨、耐磨能力。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中不同的磨損工況要求,可以通過改變TiC陶瓷的含量實(shí)現(xiàn)該型仿生耐磨復(fù)合材料抗磨損性能的調(diào)節(jié)。本發(fā)明所制備出的仿生耐磨復(fù)合材料具有很好的抗磨、耐磨性能，見表1。
[0021]3、本發(fā)明所涉及的制備技術(shù)既可以應(yīng)用在小型耐磨件的制造上也可以應(yīng)用在大型抗磨、耐磨件的加工制造上。
[0022]表1:仿生耐磨復(fù)合材料的耐磨性
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)、高韌的仿生功能表面耐磨復(fù)合材料的制備方法，該方法包括以下步驟: 1)、硬質(zhì)單元體材料的制備: a.硬質(zhì)單元體原始粉末的組成:材料呈現(xiàn)粉末狀，是由粒度小于90μ m的Al粉、Ti粉以及C粉組成，其中，Al的重量百分比為10%?60%，Ti粉和C粉加在一起的重量百分比為90%?40%，其中Ti和C粉摩爾比是1:1 ； b.混料:按照a中所述的配料比稱取粉末，放入球磨機(jī)中進(jìn)行混合，混合時(shí)間為7±1小時(shí)； c.碳鋼基體上圓形凹坑或條紋形凹坑的加工:利用數(shù)控銑床在光滑碳鋼基體表面加工深為5?IOmm,直徑為5?IOmm,中心距為15?25mm的圓形凹坑，或是深為8?IOmm,寬度為5?IOmm,間距為6?IOmm的條紋形凹坑； d.硬質(zhì)單元體原始粉末的裝填與壓實(shí):將硬質(zhì)單元體原始粉末裝入已加工好的凹坑內(nèi)，并將其壓實(shí)；緊實(shí)率是其理論密度的55±5% ; 2)、反應(yīng)生成仿生耐磨復(fù)合材料: e.燒結(jié)裝置的真空除氣處理:將裝有硬質(zhì)單元體材料的碳鋼基體放入真空加熱裝置內(nèi)，調(diào)節(jié)真空度最小值為KT1Mpa,并以25 V /min的加熱速率將硬質(zhì)單元體材料加熱至300°C?400°C，維持2?3個(gè)小時(shí)，實(shí)現(xiàn)抽真空處理；完成抽真空后通入氬氣并保持加熱裝置內(nèi)的壓力為一個(gè)大氣壓； f.硬質(zhì)單元體生成:通過安裝在燒結(jié)設(shè)備側(cè)壁上的電阻絲以25°C/mim的加熱速率，將完成抽真空處理的硬質(zhì)單元體材料加熱到1000°C，加熱裝置內(nèi)的高溫可以弓I發(fā)硬質(zhì)單元體材料整體發(fā)生自蔓延高溫合成反應(yīng)，硬質(zhì)單元體材料最終變成了含有TiC陶瓷的硬質(zhì)單元體，并與碳鋼基體之間存在著牢固的連接，至此制備出了仿生耐磨復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)、高韌的仿生功能表面耐磨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述硬質(zhì)單元體的成分是Al、TiC和Fe，其中，TiC是呈橢球形的陶瓷，尺寸是微米級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)、高韌的仿生功能表面耐磨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的碳鋼基體成分中C與Mn的重量百分比含量為C是0.35%、Mn是.0.18%。
【文檔編號(hào)】B22F7/08GK103949648SQ201410193471
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】梁云虹, 趙騫, 韓麗麗, 李秀娟, 張志輝, 任露泉 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)