金属硅化物熔体浸渗碳化硅坯件制备复合材料方法

摘要

本发明公开了一种金属硅化物熔体浸渗碳化硅坯件制备复合材料方法,以纯钴、铁、钛、硅为原料,在感应电炉中熔炼;碳化硅粉体坯件以钢模或铸浆成型,得到致密度可调,形状复杂预制坯件;硅化物碎锭放置在广口氧化铝坩埚中,间接渗入碳化硅小圆柱立在其中,待渗碳化硅粉体坯件横卧小圆柱上;硅化物碎锭熔化后,经中立小圆柱,间接渗入上端碳化硅坯件中,获得致密、高硅化硅含量、形状复杂、净尺寸碳化硅增强金属硅化物复合材料制品。

说明书

本发明涉及制备复合材料方法，尤其涉及金属硅化物熔体浸渗碳化硅坯件制备复合材料方法。

在传统的粉末冶金工程中，低熔点金属熔体向高熔点金属颗粒预制件自发渗入是一项传统技术。一般而言，金属与金属间的浸润性较好，自发渗入是一项易行的技术。将自发渗入技术引入陶瓷金属基复合材料制备的最大困难是金属类熔体一般不浸润陶瓷颗粒，熔体的渗入需借助外压的作用。典型的例子是铝合金熔体向碳化硅粉体预制件压力下的渗入，这是近十年来广泛研究的一项技术。由于浸润性差组分间界面结合强度低以及碳化硅分散的困难，使这些研究未能取得长足进步。加之设备昂贵，形状单一，也限制了这项技术的发展。金属熔体向碳化硅颗粒预制件渗入的另一障碍是大多数金属与碳化硅反应生成硅化物和碳或碳化物和硅。因此寻求能自发渗入碳化硅颗粒预制件的适当金属熔体十分困难。

本发明的目的是提供一种获得高增强剂含量，高致密度的金属硅化物熔体浸渗碳化硅坯件制备复合材料方法。

为了达到上述目的本发明采取下列措施，以纯钴、铁、钛、硅为原料，按分子式Co_1.00～1.09Si_0.91～1.00，CoTi_0.00～0.08Si_0.92～1.00，Fe_4～6Si_2～4的配比配料，在感应电炉中熔炼，熔炼温度为熔点Tm+0℃～Tm+200℃，液相完全形成后，保温10～60min，在交流感应搅拌的条件下，熔体均质化，熔炼始终在50乇～1000乇正压氩气保护下完成，冷却后得到球形锭，破碎后待作渗入用；颗粒度为0.3～10μ的碳化硅粉料在钢模中柱杆双向推进成形，获得相对密度在50～65％待渗碳化硅圆片状预制件，或者分散制浆再铸浆成形，获得相对密度在65～70％待渗碳化硅复杂形状预制件，分散剂首选氨水，待渗预制件在室温下干燥；足量硅化物碎块放置在广口氧化铝坩埚内，坩埚中立一个或多个直径小于3～10mm，颗粒度为＞5μ间接渗入碳化硅预制圆柱，待渗碳化硅预制件横置在这些间接渗入预制圆柱上，间接自发渗入在石墨发热体加热炉中完成，间接自发渗入温度为熔点Tm+50℃～Tm+250℃，渗入时间为20～200min，自发渗入始终在50乇～1000乇正压氩气保护下进行。

本发明的优点是：铁族元素(铁、钴、镍)的所有硅化物熔体自发渗入碳化硅预制件是制备金属基复合材料的新方法。预制件可以是非简单几何形状，自发渗入后尺寸基本不变，碳化硅含量高达50～70V-％。自发渗入可以完全和充分，因而获得高的致密度。复合材料品可期有高的硬度和强度，高的耐磨性和高的抗化学腐蚀性的结构材料，可应用在密封、磨损、切割等机械工程领域，可在相当大的范围内部分取代反应烧结碳化硅以及碳化钨(钴)等传统材料。

下面结合实施例作详细说明。

金属硅化物熔体浸渗碳化硅坯件制备复合材料方法，特征是：以纯钴、铁、钛、硅为原料，按分子式Co_1.01～1.06Si_0.94～0.99，CoTi_0.02～0.07Si_0.93～0.98，Fe_4.7～5.3Si_2.7～3.3的配比配料，在感应电炉中熔炼，熔炼温度为熔点Tm+50℃～Tm+100℃，液相完全形成后，保温20～40min，在交流感应搅拌的条件下，熔体均质化，熔炼始终在50乇～800乇正压氩气保护下完成，冷却后得到球形锭，破碎后待作渗入用；颗粒度为0.3～10μ的碳化硅粉料在钢模中柱杆双向推进成形，获得相对密度在50～65％待渗碳化硅圆片状预制件，或者分散制浆再铸浆成形，获得相对密度在65～70％待渗碳化硅复杂形状预制件，分散剂首选氨水，待渗预制件在室温下干燥；足量硅化物碎块放置在广口氧化铝坩埚内，坩埚中立一个或多个直径小于5～8mm，颗粒度为＞5μ间接渗入碳化硅预制圆柱，待渗碳化硅预制件横置在这些间接渗入预制圆柱上，间接自发渗入在石墨发热体加热炉中完成，间接自发渗入温度为熔点Tm+100℃～Tm+150℃，渗入时间为40～60min，自发渗入始终在50乇～800乇正压氩气保护下进行。

间接渗入法中，熔体与待渗碳化硅粉体预制件不直接接触，而是先渗入支撑待渗碳化硅粉体预制件的间接渗入碳化硅预制圆柱，最终渗入待渗碳化硅粉体预制件。此法能控制熔体进入预制件试样流量，有效避免溶体在预制件表面的敷复，让自发渗入和气体排逸协调进行，实现成功渗入。自发渗入过程在惰性保护气氛中进行。渗入温度与溶点之差是预制件颗粒度和致密度的函数，可表达如下：

T-Tm＝Kη/γ(1+ρ/d^2.5)

K-常数  T-自发渗入温度  Tm-熔点  η-粘度  γ-表面张力

ρ-相对密度  d-平均粒径

实施例：

以纯钴、铁、钛、硅为原料，按分子式Co_1.05Si_0.95，CoTi_0.05Si_0.95，Fe₆Si₃的配比配料，在感应电炉中熔炼，熔炼温度为熔点Tm+80℃，液相完全形成后，保温30min，在交流感应搅拌的条件下，熔体均质化，熔炼始终在750乇正压氩气保护下完成，冷却后得到球形锭，破碎后待作渗入用；颗粒度为0.3～10μ的碳化硅粉料在钢模中柱杆双向推进成形，获得相对密度在50～65％待渗碳化硅圆片状预制件，或者分散制浆再铸浆成形，获得相对密度在65～70％待渗碳化硅复杂形状预制件，分散剂首选氨水，待渗预制件在室温下干燥；足量硅化物碎块放置在广口氧化铝坩埚内，坩埚中立一个或多个直径小于6mm，颗粒度为＞5μ间接渗入碳化硅预制圆柱，待渗碳化硅预制件横置在这些间接渗入预制圆柱上，间接自发渗入在石墨发热体加热炉中完成，间接自发渗入温度为熔点Tm+130℃，渗入时间为50min，自发渗入始终在750乇正压氩气保护下进行。冷却后可得到弯曲强度、显微硬度、断裂韧性指标分别为：300～600MPa，1500～5000Kg/mm²，4.0～6.5MPaVm优良复合材料制品。