碳化物增强铁基金属复合材料及其制备方法

307 编辑：中冶有色技术网来源：山东理工大学

2024-10-22 15:26:42

权利要求

1.一种碳化物增强铁基金属复合材料，其特征在于，以铁基金属为基体，碳化物为增强相，通过粘结剂喷射成型工艺打印成型得到碳化物增强铁基金属材料素坯，对碳化物增强铁基金属材料素坯依次进行固化、脱脂和烧结处理，即得碳化物增强铁基金属复合材料;其中碳化物的用量为铁基金属总量的1~10wt.%;

所述的铁基金属为铸铁、碳素钢或合金钢中的一种;

所述的碳化物为碳化硅、碳化钨或碳化硼中的一种。

2.根据权利要求1所述的碳化物增强铁基金属复合材料，其特征在于，所述的铁基金属的粒径为5~55µm。

3.根据权利要求1所述的碳化物增强铁基金属复合材料，其特征在于，所述的碳化物的粒径为70~210nm。

4.一种权利要求1~3任一项所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将铁基金属和碳化物混合后放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末;

(2)使用三维建模软件构建三维模型，随后将模型上传至粘结剂喷射3D打印机的控制系统中;

(3)设置粘结剂喷射3D打印机的参数，对混合粉末进行逐层打印，得到碳化物增强铁基金属材料素坯;

(4)对碳化物增强铁基金属材料素坯进行固化处理;

(5)将固化后的碳化物增强铁基金属材料素坯放入真空脱脂烧结炉中进行脱脂和烧结，即得碳化物增强铁基金属复合材料。

5.根据权利要求4所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，转速为180~200rpm，球磨时间为2~10h。

6.根据权利要求4所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，3D打印机的参数分别为：铺粉速度20~80mm/s，干燥时间5~10s，细滚轮转速150~200rpm，粗滚轮转速50~80rpm，滚轮移动速度2~6mm/s，粘结剂饱和度80~100%，热量输出功率80~100%。

7.根据权利要求4所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，固化为热固化，固化温度为150~200℃，固化时间为6~10h。

8.根据权利要求4所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，脱脂温度为500~800℃，保温1~2h。

9.根据权利要求4所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，烧结温度为1150~1350℃，保温1~2h。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于材料加工技术领域，具体涉及碳化物增强铁基金属复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002]粘结剂喷射技术作为一种先进的增材制造技术，其核心原理融合了喷墨打印与粉末床铺粉打印的精髓。该技术通过精准控制粘结剂的喷射，直接作用于预先铺设的粉末材料层上(如金属、陶瓷、聚合物等)，利用粘结剂的选择性固化作用，将粉末颗粒逐层粘结并堆叠起来，形成初步的打印坯体。这一过程在室温环境下进行，避免了固液相转变及其伴随的热量转移问题，从而有效消除了残余应力与热应力累积的可能性，显著提升了产品的尺寸稳定性和加工精度。

[0003]粘结剂喷射技术的主要优势在于其打印过程的灵活性与经济性。一方面，该技术无需额外的支撑结构，极大地解放了设计约束，使得复杂几何形状和高精度细节的实现成为可能，拓宽了其在航空航天、汽车制造、医疗器械及电子设备等高端制造领域的应用潜力。另一方面，由于打印过程中无需特殊气氛环境或高能量源输入，粘结剂喷射设备的运行成本相对较低，相比其他增材制造技术具有更为显著的经济优势。

[0004]在金属基复合材料领域，特别是铁基金属复合材料，通过引入增强相能够显著提升材料的硬度和耐磨性，是提升材料性能、延长使用寿命的有效途径。碳化物以其高强度、高硬度及良好的热稳定性，成为金属基复合材料中理想的增强体之一。然而，传统制备工艺往往面临制备周期长、能耗高、材料利用率低等问题，限制了其在大规模生产及复杂结构件制造中的应用。

发明内容

[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳化物增强铁基金属复合材料，将粘结剂喷射技术应用于碳化物增强铁基金属复合材料的制备中，不仅能够实现材料成分与结构的精确控制，还能在低成本的条件下制备出具有高硬度、高耐磨性且结构复杂的元件。

[0006]本发明的另一个目的在于提供一种碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，通过逐层粘结的方式，将碳化物增强相均匀地分布于铁基金属基体中，有效促进了增强相与基体之间的界面结合，提高了复合材料的整体性能。同时，该制备方法能够精确控制材料的形状及尺寸，减少了材料浪费，并避免了后续复杂的机械加工步骤。这不仅提高了生产效率，还显著降低了生产成本和能耗。

[0007]本发明所采取的技术方案如下：

所述的碳化物增强铁基金属复合材料，以铁基金属为基体，碳化物为增强相，通过粘结剂喷射成型工艺打印成型得到碳化物增强铁基金属材料素坯，对碳化物增强铁基金属材料素坯依次进行固化、脱脂和烧结处理，即得碳化物增强铁基金属复合材料;其中碳化物的用量为铁基金属总量的1~10wt.%;

所述的铁基金属为铸铁、碳素钢或合金钢中的一种;

所述的碳化物为碳化硅、碳化钨或碳化硼中的一种。

[0008]所述的铁基金属的粒径为5~55µm。

[0009]所述的碳化物的粒径为70~210nm。

[0010]所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铁基金属和碳化物混合后放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末;

(2)使用三维建模软件构建三维模型，随后将模型上传至粘结剂喷射3D打印机的控制系统中;

(3)设置粘结剂喷射3D打印机的参数，对混合粉末进行逐层打印，得到碳化物增强铁基金属材料素坯;

(4)对碳化物增强铁基金属材料素坯进行固化处理，使坯体具有足够强度;

(5)将固化后的碳化物增强铁基金属材料素坯放入真空脱脂烧结炉中进行脱脂和烧结，即得碳化物增强铁基金属复合材料。

[0011]所述的步骤(1)中，球料比为1:2，转速为180~200rpm，球磨时间为2~10h。

[0012]所述的步骤(3)中，3D打印机的参数分别为：铺粉速度20~80mm/s，干燥时间5~10s，细滚轮转速150~200rpm，粗滚轮转速50~80rpm，滚轮移动速度2~6mm/s，粘结剂饱和度80~100%，热量输出功率80~100%。

[0013]所述的步骤(4)中，固化为热固化，固化温度为150~200℃，固化时间为6~10h。

[0014]所述的步骤(5)中，脱脂温度为500~800℃，保温1~2h。

[0015]所述的步骤(5)中，烧结温度为1150~1350℃，保温1~2h。

[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明所述的碳化物增强铁基金属复合材料，通过在铁基金属基体中引入适量的碳化物颗粒，诱发了超固相烧结现象。此过程中，局部液相的生成不仅有效填充了素坯中的孔隙，显著降低了孔隙率，还促进了基体与增强相之间的紧密结合与扩散，实现了材料微观结构的致密化与强化，从而大幅度提升了复合材料的力学性能，特别是硬度和耐磨性;

(2)本发明所述的碳化物增强铁基金属复合材料，通过引入纳米级碳化物颗粒作为增强相，利用其高比表面积和优异的物理化学性质，实现了对铁基金属基体的显著强化。纳米颗粒在基体中的均匀分散，不仅有效阻碍了裂纹的扩展，还通过界面强化作用提升了整体材料的硬度与耐磨性，使得该复合材料在极端工况下展现出卓越的性能稳定性与使用寿命;

(3)本发明所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，采用粘结剂喷射成型技术，打破了传统制造方法的局限，实现了对复杂几何形状零件的无支撑直接打印;同时该制备方法能够精确控制材料的形状、尺寸及厚度，减少了材料浪费，并避免了后续复杂的机械加工步骤，不仅提高了生产效率，还显著降低了生产成本和能耗。

附图说明

[0017]图1为实施例1中的碳化钨、碳化物增强铁基金属材料素坯和碳化物增强铁基金属复合材料的XRD图;

图2为实施例2中的AM40模具钢的金相图(×100倍);

图3为实施例2中的碳化物增强铁基金属复合材料的金相图(×100倍)。

具体实施方式

[0018]以下结合实施例对本发明作进一步说明，但其并不限制本发明的实施。

[0019]实施例及对比例中使用的原料如无特殊说明均为常规市售原料，实施例及对比例中所使用的工艺方法如无特殊说明均为本领域常规方法。

[0020]实施例及对比例中用到的部分原料说明如下：

AM40模具钢，购自中科布拉菲材料技术(东莞)有限公司，为合金钢;

8620低合金钢，购自中科布拉菲材料技术(东莞)有限公司，为合金钢;

灰铸铁HT200，购自中科布拉菲材料技术(东莞)有限公司，为铸铁。

[0021]实施例1

所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粒径为20±3µm的AM40模具钢和粒径为75±5nm的碳化钨混合后放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末;球料比为1:2，碳化钨的用量为AM40模具钢总量的6wt.%，转速为200rpm，球磨时间为10h;

(2)使用三维建模软件构建三维模型，随后将模型上传至粘结剂喷射3D打印机的控制系统中;

(3)设置粘结剂喷射3D打印机的参数，对混合粉末进行逐层打印，得到碳化物增强铁基金属材料素坯;3D打印机的参数分别为：铺粉速度60mm/s，干燥时间10s，细滚轮转速200rpm，粗滚轮转速80rpm，滚轮移动速度2mm/s，粘结剂饱和度100%，热量输出功率100%;

(4)对碳化物增强铁基金属材料素坯进行固化处理，固化为热固化，固化温度为150℃，固化时间为10h;

(5)将固化后的碳化物增强铁基金属材料素坯放入真空脱脂烧结炉中进行脱脂和烧结，即得碳化物增强铁基金属复合材料。其中脱脂温度为500℃，保温2h;烧结温度为1350℃，保温1h。

[0022]使用XRD衍射仪分别对碳化钨(WC)、碳化物增强铁基金属材料素坯(WC+BJ)和碳化物增强铁基金属复合材料(WC+烧结)进行物相分析，如图1所示，结果表明经烧结后碳化钨的衍射峰强度降低。

[0023]实施例2

所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粒径为20±3µm的AM40模具钢和粒径为75±5nm的碳化硅混合后放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末;球料比为1:2，碳化硅的用量为AM40模具钢总量的1wt.%，转速为200rpm，球磨时间为2h;

(2)使用三维建模软件构建三维模型，随后将模型上传至粘结剂喷射3D打印机的控制系统中;

(3)设置粘结剂喷射3D打印机的参数，对混合粉末进行逐层打印，得到碳化物增强铁基金属材料素坯;3D打印机的参数分别为：铺粉速度60mm/s，干燥时间8s，细滚轮转速185rpm，粗滚轮转速60rpm，滚轮移动速度3mm/s，粘结剂饱和度90%，热量输出功率90%;

(4)对碳化物增强铁基金属材料素坯进行固化处理，固化为热固化，固化温度为160℃，固化时间为8h;

(5)将固化后的碳化物增强铁基金属材料素坯放入真空脱脂烧结炉中进行脱脂和烧结，即得碳化物增强铁基金属复合材料。其中脱脂温度为600℃，保温1.5h;烧结温度为1150℃，保温2h。

[0024]分别使用光学显微镜对AM40模具钢和制得的碳化物增强铁基金属复合材料的微观形貌进行观察，结果如图2~3所示。由图2可以看出，AM40模具钢的孔洞多且大。由图3可以看出，所制得的碳化物增强铁基金属复合材料的孔洞明显减少，表明采用本发明所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，制备得到的碳化物增强铁基金属复合材料的致密度有效提高。

[0025]实施例3

所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粒径为50±5µm的8620低合金钢和粒径为200±10nm的碳化硼混合后放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末;球料比为1:2，碳化硼的用量为8620低合金钢总量的10wt.%，转速为180rpm，球磨时间为4h;

(2)使用三维建模软件构建三维模型，随后将模型上传至粘结剂喷射3D打印机的控制系统中;

(3)设置粘结剂喷射3D打印机的参数，对混合粉末进行逐层打印，得到碳化物增强铁基金属材料素坯;3D打印机的参数分别为：铺粉速度80mm/s，干燥时间5s，细滚轮转速200rpm，粗滚轮转速60rpm，滚轮移动速度6mm/s，粘结剂饱和度80%，热量输出功率100%;

(4)对碳化物增强铁基金属材料素坯进行固化处理，固化为热固化，固化温度为200℃，固化时间为6h;

(5)将固化后的碳化物增强铁基金属材料素坯放入真空脱脂烧结炉中进行脱脂和烧结，即得碳化物增强铁基金属复合材料。其中脱脂温度为600℃，保温1.5h;烧结温度为1350℃，保温2h。

[0026]实施例4

所述的碳化物增强铁基金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粒径为10±5µm的灰铸铁HT200和粒径为75±5nm的碳化硅混合后放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末;球料比为1:2，碳化硅的用量为灰铸铁HT200总量的5wt.%转速为200rpm，球磨时间为6h;

(2)使用三维建模软件构建三维模型，随后将模型上传至粘结剂喷射3D打印机的控制系统中;

(3)设置粘结剂喷射3D打印机的参数，对混合粉末进行逐层打印，得到碳化物增强铁基金属材料素坯;3D打印机的参数分别为：铺粉速度20mm/s，干燥时间10s，细滚轮转速150rpm，粗滚轮转速50rpm，滚轮移动速度6mm/s，粘结剂饱和度90%，热量输出功率80%;

(4)对碳化物增强铁基金属材料素坯进行固化处理，固化为热固化，固化温度为180℃，固化时间为8h;

(5)将固化后的碳化物增强铁基金属材料素坯放入真空脱脂烧结炉中进行脱脂和烧结，即得碳化物增强铁基金属复合材料。其中脱脂温度为800℃，保温1h;烧结温度为1350℃，保温1h。

[0027]对比例1

与实施例1的区别在于，碳化钨的用量为AM40模具钢总量的0.02wt.%，其他同实施例1。

[0028]对比例2

与实施例1的区别在于，碳化钨的用量为AM40模具钢总量的20wt.%，其他同实施例1。

[0029]分别对实施例1~4及对比例1~2制得的复合材料进行性能测试，测试方法如下：

硬度：参照GB/T 4340.1-2009进行测试;

孔隙率：参照GB/T 43101-2023进行测试;

质量磨损：参照GB/T 12444.1-1990进行测试，采用MMW-1型摩擦磨损试验机，试验力为150N，转速为300rpm，测试时间为20min，测定其磨损量。

[0030]测试结果如表1所示。

[0031]表1 性能测试结果

[0032]由表1数据可知，实施例1~4制备的碳化物增强铁基金属复合材料的硬度≥302.71Hv，孔隙率≤5.66%，质量磨损≤30mg，表明通过引入纳米级碳化物颗粒作为增强相，提升了铁基金属材料的硬度与耐磨性。对比例1相较于实施例1，由于碳化钨的用量过少，难以实现对铁基金属基体的显著强化，所以其性能均有所下降。对比例2相较于实施例1，由于引入的碳化钨过多，导致铁基金属基体的脆性增大，所以其性能也有所下降。

说明书附图(3)