一种提高增强体分散性和分散量的粉末冶金方法
阅读说明：本技术 一种提高增强体分散性和分散量的粉末冶金方法 (Powder metallurgy method for improving dispersibility and dispersion amount of reinforcement ) 是由 何春年 马立世 韩铁龙 赵乃勤 于 2020-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高增强体分散性和分散量的粉末冶金方法,包括下列步骤：(1)配制金属基体粉末；(2)第一阶段球磨：对金属基体粉末进行球磨预处理,变形为片状：在氩气保护下先对步骤(1)配制的金属基体粉末进行球磨预处理变形,球磨参数：球料比5:1-15:1,转速300～500转/分,球磨时间4-8小时；(3)第二阶段球磨：将增强体加入经过球磨第一阶段球磨处理的片状金属基体中,在氩气保护下对混合粉末粉末进行球磨处理,球磨参数：球料比5:1-15:1,转速300～500转/分,球磨时间4-8小时。(4)烧结成型。(The invention relates to a powder metallurgy method for improving the dispersibility and dispersion quantity of a reinforcement, which comprises the following steps: (1) preparing metal matrix powder; (2) ball milling in the first stage: carrying out ball milling pretreatment on the metal matrix powder, and deforming into a sheet shape: carrying out ball milling pretreatment deformation on the metal matrix powder prepared in the step (1) under the protection of argon, wherein the ball milling parameters are as follows: the ball-material ratio is 5:1-15:1, the rotating speed is 300-500 r/min, and the ball milling time is 4-8 hours; (3) ball milling in the second stage: adding the reinforcement into a flaky metal matrix subjected to ball milling treatment in a first ball milling stage, and carrying out ball milling treatment on mixed powder under the protection of argon, wherein the ball milling parameters are as follows: the ball-material ratio is 5:1-15:1, the rotating speed is 300-500 r/m, and the ball milling time is 4-8 hours. (4) And (5) sintering and forming.)
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种提高增强体分散性和分散量的粉末冶金新方法。
背景技术
机械球磨是一种常用的复合粉末制备方法，该方法操作简单、对设备要求低，同时也可以实现复合粉末的大量制备。在使用球磨法制备复合粉末的过程中，有多种因素影响复合材料的结构和性能，如球磨时间、球磨转速、球磨温度、球料比等。对于球磨法制备纳米增强相增强金属基复合材料，人们已经进行了较为系统的研究，但主要集中于球磨时间的研究，如球磨时间过短不能有效分散增强相，球磨时间过长则会破坏增强相结构，导致复合材料性能下降。此外，人们还开发了冷冻球磨和变速球磨等工艺，均制备出性能优异的较低增强相含量的复合材料，说明对机械球磨的参数进行调控和优化对获得高性能的纳米增强相/金属基复合材料具有重要意义。
尽管现有球磨工艺可以对较低含量的增强相进行均匀分散，但由于金属基体颗粒初始比表面积较小，现有球磨工艺均难以在变形过程中均匀负载较大含量增强体(如图1所示)，进而限制了复合材料性能的进一步提升。而较大的比表面积可以对增强相进行大含量的均匀负载和分散。因此先对金属基体进行球磨变形大幅度增大比表面积后再与增强体进行混合可以更好地提高增强体的均匀分散性和分散量。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种利用分段式球磨工艺提高增强体均匀分散性和分散量的粉末冶金新方法，能够制备出具有大添加量且均匀分散的金属基复合材料。该方法能够有效提高增强体在金属基体中的均匀分散性和分散量。本发明通过以下技术方案加以实施：
一种提高增强体分散性和分散量的粉末冶金方法，包括下列步骤：
(1)配制金属基体粉末
按照过程控制剂：金属基体粉末质量比1:(95-99)的比例配制预球磨金属基体粉末；
(2)第一阶段球磨：对金属基体粉末进行球磨预处理，变形为片状；
在氩气保护下先对步骤(1)配制的金属基体粉末进行球磨预处理变形，球磨参数：球料比5:1-15:1，转速300～500转/分，球磨时间4-8小时。
(3)第二阶段球磨：将增强体加入经过球磨第一阶段球磨处理的片状金属基体中，在氩气保护下对混合粉末粉末进行球磨处理，球磨参数：球料比5:1-15:1，转速300～500转/分，球磨时间4-8小时。
(4)烧结成型
球磨后的混合粉末进行烧结，烧结温度根据增强体和金属基体的种类调整。
优选地，所述的增强体为BN纳米片或铜负载石墨烯。所述的增强体的加入比例为过程控制剂的3-8倍。烧结方法采用无压烧结、真空热压烧结、热等静压烧结或放电等离子烧结。
分段球磨分散机理：金属基体原料为球形颗粒，其比表面积小，因此在球磨混合过程中无法为增强体提供更多的负载位置，随着增强体含量的增加，会在基体表面发生堆叠，导致团聚；而经过预球磨变形后将金属基体粉末由球形颗粒变形为片状以后，其比表面积大幅增加，为增强体提供了更大的接触面积和负载位置，从而可以更有效的提高增强体的均匀分散性和分散量。
附图说明
图1普通球磨法导致复合材料产生缺陷(a)和增强体团聚(b)，负载量3.5wt％
图2本发明的分段球磨法可促进大含量石墨烯的均匀分散
图3本发明的分段球磨工艺流程图
图4为采用该分段球磨工艺得到的含有不同负载铜的石墨烯含量的复合材料拉伸曲线；
图5为采用该分段球磨工艺得到的含有不同BN纳米片含量的复合材料拉伸曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述，这些实例只用于说明本发明，并不限制本发明。
实施例1
称取9.55g铝粉，0.1g硬脂酸，置于250ml的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以500转/小时球磨8小时，球料比10:1。第一阶段铝基体粉末球磨变形为片状后，再向球磨罐中加入0.35g铜负载石墨烯以500转/小时球磨3小时，球料比10:1，完后第二阶段的粉末复合。第二阶段球磨结束后取出混合粉末，采用直径为20mm的模具在500MPa压力下冷压成型，然后放入管式炉中进行烧结，烧结温度为600℃，烧结完成后在550℃进行挤压变形，挤压比为16:1，得到直径为5mm的复合材料样品(增强体石墨烯含量为3.5wt％)。其断裂强度为480MPa，延伸率为10.5％。如图4.
实施例2
称取9.5g铝粉，0.1g硬脂酸，置于250ml的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以500转/小时球磨8小时，球料比10:1。第一阶段铝基体粉末球磨变形为片状后，再向球磨罐中加入0.4g BN纳米片以500转/小时球磨4小时，球料比10:1，完后第二阶段的粉末复合。第二阶段球磨结束后取出混合粉末，采用直径为20mm的模具在500MPa压力下冷压成型，然后放入管式炉中进行烧结，烧结温度为750℃，烧结完成后在600℃进行挤压变形，挤压比为16:1，得到直径为5mm的复合材料样品(增强体BN纳米片含量为4wt％)。其断裂强度为400MPa，延伸率为12％。
实施例3
称取9.1g铝粉，0.1g硬脂酸，置于250ml的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以500转/小时球磨8小时，球料比10:1。第一阶段铝基体粉末球磨变形为片状后，再向球磨罐中加入0.6g BN纳米片以500转/小时球磨5小时，球料比10:1，完后第二阶段的粉末复合。第二阶段球磨结束后取出混合粉末，采用直径为20mm的模具在500MPa压力下冷压成型，然后放入管式炉中进行烧结，烧结温度为750℃，烧结完成后在600℃进行挤压变形，挤压比为16:1，得到直径为5mm的复合材料样品(增强体BN纳米片含量为6wt％)。其断裂强度为570MPa，延伸率为6.5％。如图5.
实施例4
称取9.1g铝粉，0.1g硬脂酸，置于250ml的不锈钢球磨罐中，并充入氩气。采用行星式球磨机以500转/小时球磨8小时，球料比10:1。第一阶段铝基体粉末球磨变形为片状后，再向球磨罐中加入0.8g BN纳米片以500转/小时球磨6小时，球料比10:1，完后第二阶段的粉末复合。第二阶段球磨结束后取出混合粉末，采用直径为20mm的模具在500MPa压力下冷压成型，然后放入管式炉中进行烧结，烧结温度为750℃，烧结完成后在600℃进行挤压变形，挤压比为16:1，得到直径为5mm的复合材料样品(增强体BN纳米片含量为8wt％)。其断裂强度为610MPa，延伸率为5.5％。
本发明提供的利用分段式球磨工艺提高增强体均匀分散性和分散量的粉末冶金新方法。与现有球磨工艺相比，利用本方法制备的复合材料的增强体分散量可以大幅提高(如图2所示)(石墨烯由2wt％提高到4wt％，强度提高200MPa；BN纳米片由4wt％提高到8wt％，强度提高220MPa)。