CN101235465A - 原位合成硼化物/铁基复合材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种原位合成硼化物/铁基复合材料及其制造方法，其强化相是TiB₂和Fe₂B，强化相的体积百分数为15－20％，且复合材料各元素的化学成分按重量百分比为：0.08－0.25C，2.0－2.5B，0.8－1.2Ti，1.2－1.6Cu，0.05－0.08Mg，0.4－0.8Ce，0.05－0.12K，Si＜0.5，Mn＜0.5，S＜0.03，P＜0.04，Fe余量。本发明原位合成硼化物/铁基复合材料利用电炉便可生产，经熔炼、熔体炉外处理、铸造和热处理后，复合材料的硬度大于55HRC，抗拉强度大于650MPa，冲击韧性大于20J/cm²，具有优良的综合性能，用于生产耐磨铸件，具有良好的使用效果。

Description

原位合成硼化物/铁基复合材料及其制造方法

                                 技术领域

本发明为一种原位合成铁基复合材料及其制造方法，特别涉及一种原位合成硼化物/铁基复合材料及其制造方法，属于复合材料技术领域。

                                 背景技术

本发明为一种原位合成铁基复合材料及其制造方法，特别涉及一种原位合成硼化物/铁基复合材料及其制造方法，属于复合材料技术领域。

金属基复合材料综合了金属基体的高延性、高韧性和增强相高强度、高模量的优点，具有高比强度、高比刚度和耐磨及耐高温等优良特性，在航空航天、军工、汽车、冶金、矿山、机械和光学等工业领域具有十分广阔的应用前景。特别是颗粒增强的金属基复合材料，相比较纤维增强金属基复合材料具有成本低廉、各向异性小、容易成形，可用常规技术进行二次加工与机械加工等优点，近几年在国内外得到迅速发展。颗粒增强铁基复合材料的制备工艺多为固相法，以粉末冶金和高温自蔓延烧结工艺为主。原位反应铸造法是近十几年来大力发展的新工艺，具有如下特点：(1)增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。(2)通过合理选择反应元素的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。(3)省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成本较低。(4)从液态金属基体中原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的构件。(5)在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。但目前对增强颗粒的研究多集中于TiC。中国发明专利CN101104903公开了一种原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的低温加钛法，先将所需铸造生铁和3/4的低碳钢装入中频感应炉，升温将炉内金属料全部熔化后，加入剩余的1/4钢和硅铁合金，并搅拌均匀使金属液变为糊状，再加入钛铁合金颗粒，搅拌均匀后加入覆盖剂覆盖，升温、保温后扒渣浇注，获得TiCp/Fe复合材料。使用本发明的原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料，钛的烧损率可稳定在13％左右，且无需将钛做成预制块而直接加入熔体，操作工艺简单，生产成本大大降低。中国发明专利CN1537963还公开了一种原位合成(TiW)C颗粒增强Fe基复合材料及其制备方法，是用钨原子部分替代碳化钛中的钛原子，形成了(TiW)C颗粒增强复合材料，其重量百分比化学组成为C：0.566-2.397％，Ti：2.264-4.758％，W：4.383-18.267％；该种材料可用粉末压型电弧熔炼工艺，也可以采用块体原料真空感应电炉熔炼工艺，以真空感应电炉熔炼为佳；由于生成的(TiW)C颗粒比重与铁基体比重相近，而且界面相溶性好，结合力强，大大减少了(TiW)C在熔体中的偏析程度，解决了高温下颗粒加入难的问题，便于制备；大幅度地提高了耐磨材料的耐磨性能。但是，铁基原位增强复合材料采用碳化物做增强相时，由于碳加入量较多，基体主要是高碳马氏体，脆性较大，导致材料强度低、韧性差。TiB2除具有高熔点、高硬度、高模量和良好的耐腐蚀性能外，还有断裂韧性相对较好及热膨胀率与基体相差较小的优势，因而作为原位合成复合材料中的增强相正日益得到广泛的应用。中国发明专利CN101104903公开了一种铝碳化钛/二硼化钛复合材料及其制备方法，复合材料由二硼化钛颗粒增强相和铝碳化钛基体组成，其中二硼碳化钛颗粒增强相的体积百分数为10～30％。制备方法是：原料为碳化硼粉、钛粉、铝粉和石墨粉，B4C∶Ti∶Al∶C的摩尔比为2∶(40.4～13.4)∶(13.6～3.6)∶(20.4～3.9)。原料粉经物理机械方法混合10～18小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为5～10MPa，在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为10～30℃/分钟，烧结温度为1400～1600℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。该发明可以在较低温度原位制备出具有高强度的致密Ti3AlC2/TiB2复合材料。长期以来，TiB2主要作为铝、钛等合金的增强相。Fe2B是一种硬度很高和热稳定性好，耐磨耐蚀且脆性相对较小的硬质相，它是工业用钢件固体渗硼时期望得到的一种产物，它的适量存在对材料耐磨性能的改善有明显的效果。铁基材料是一种应用十分广泛的金属材料，具有价格低廉，制备无污染，回用方便和成型性能好等优点，同时通过热处理可以调整其机械性能和物理性能。

                                 发明内容

本发明的目的是采用原位反应铸造法，原位合成(TiB2+Fe2B)/铁基复合材料，同时采用热处理，使基体转变为强韧性好的板条马氏体，并加入微量镁、铈、钾，改善硼化物的形态和分布，得到颗粒状(TiB2+Fe2B)均匀分布在板条马氏体基体上的复合组织，使复合材料具有高强度、高硬度和较好的韧性和耐磨性。另外，还加入少量铜，可提高基体淬透性。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明原位合成硼化物/铁基复合材料中，强化相(TiB2+Fe2B)的体积百分数为15-20％，而各元素的化学成分按重量百分比为：0.08-0.25C，2.0-2.5B，0.8-1.2Ti，1.2-1.6Cu，0.05-0.08Mg，0.4-0.8Ce，0.05-0.12K，Si＜0.5，Mn＜0.5，S＜0.03，P＜0.04，Fe余量。本发明原位合成硼化物/铁基复合材料的制造工艺步骤是：

(1)将Q235钢、45钢、铜板在电炉中混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将熔体温度升高至1620-1660℃，并加入占熔体重量0.15-0.25％铝脱氧，然后加入硼铁和钛铁。

(2)当硼铁和钛铁全部熔化后，将金属铈用薄钢板包好后，压入炉内，然后将熔体注入压力加镁包，包内预先放置有镁块，并用钾盐覆盖。

(3)然后将经过钾和镁处理过的金属熔体浇注成铸件，熔体浇注温度1420-1460℃；

(4)铸件清理后，在950-980℃保温2-4小时，水冷，然后在200-220℃进行回火处理，回火保温时间6-10小时，最后空冷至室温。

本发明与现有技术相比，具有以下显著的优点：

①本发明的原位合成硼化物/铁基复合材料，颗粒增强相是TiB2+Fe2B，TiB2和Fe2B颗粒增强相硬度高，分别达到2960-3110Hv和1430-1480Hv，且热稳定性好，高温热处理后不分解、不软化。

②本发明原位合成硼化物/铁基复合材料，用普通电炉熔炼，工艺简便，便于规模化制备，且不含价格昂贵的V、Mo、Ni、W等合金元素，生产成本低廉。

③本发明原位合成硼化物/铁基复合材料经热处理后，基体转变为强韧性好的板条马氏体，复合材料具有强度、硬度高，韧性和耐磨性好等特点，其中硬度大于55HRC，抗拉强度大于650Mpa，冲击韧性大于20J/cm2。

④本发明的原位合成硼化物/铁基复合材料，在锤头、衬板等领域使用，使用寿命比高锰钢提高2-4倍，与高铬白口铸铁相当，但生产成本比高铬铸铁降低40％以上。

具体实施方式：

下面结合本发明的原位合成硼化物/铁基复合材料其颗粒增强相及各元素的化学成分制定依据和发明人给出的实施例对本发明作进一步详述。

由于TiB2和Fe2B颗粒增强相硬度高，分别达到2960-3110Hv和1430-1480Hv，且热稳定性好，高温热处理后不分解、不软化。因此本发明复合材料选用TiB2和Fe2B为颗粒增强相，且颗粒增强相体积分数控制在15-20％。若颗粒增强相体积分数少于15％，则复合材料硬度低、耐磨性差；若颗粒增强相体积分数超过20％，则复合材料韧性低，脆性大，因此，将颗粒增强相体积分数控制在15-20％较为合适。

为了保证颗粒增强相为TiB2和Fe2B，且体积分数为15-20％，因此，将B的重量百分比控制在2.0-2.5，Ti的重量百分比控制0.8-1.2。另外，加入少量碳是为了热处理后获得强韧性的板条马氏体基体。加入适量铜是为了改善基体淬透性。加入镁、铈、钾，是为了细化组织，改善硼化物形态和分布，提高原位合成硼化物/铁基复合材料的综合性能。Fe-B-C铸造合金中加入钛元素后，除了生成Fe2B和TiB2外，并没有出现TiC和TiB，这与反应的热力学和动力学有关。从反应热力学看，形成TiC、TiB和TiB2的反应关系式如下：

Ti+B＝TiB      ΔG°＝-163200+5.9T                        (1)

Ti+2B＝TiB2    ΔG°＝-284500+20.5T                       (2)

Ti+C＝TiC      ΔG°＝-184800+12.55T                      (3)

从式(1)至式(3)可以看出，生成TiB2的反应自由能绝对值最大，在热力学上是最稳定的，也是最容易生成的。从动力学看，金属熔体中硼含量比碳含量高得多，金属熔体中生成TiB2比生成TiC更容易，因此，凝固组织中没有出现TiC和TiB。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

采用原位合成法制备硼化物/铁基复合材料，其制造工艺步骤是：

(1)将Q235钢、45钢、铜板在电炉中混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将熔体温度升高至1620-1660℃，并加入占熔体重量0.15-0.25％铝脱氧，然后加入硼铁和钛铁。

(2)当硼铁和钛铁全部熔化后，将金属铈用薄钢板包好后，压入炉内，然后将熔体注入压力加镁包，包内预先放置有镁块，并用钾盐覆盖。

(3)然后将经过钾和镁处理过的金属熔体浇注成铸件，熔体浇注温度1420-1460℃；

(4)铸件清理后，在950-980℃保温2-4小时，水冷，然后在200-220℃进行回火处理，回火保温时间6-10小时，最后空冷至室温。复合材料中各元素的化学成分见表1，复合材料性能见表2。

                表1复合材料中各元素的化学成分重量百分及硼化物体积分数

实施例	C	B	Ti	Cu	Mg	Ce	K	Si	Mn	Fe	硼化物体积分数，％
												1	0.08	2.49	1.06	1.57	0.08	0.47	0.06	0.27	0.33	余量	19.5
2	0.25	2.02	1.19	1.20	0.05	0.79	0.08	0.24	0.35	余量	15.4
												3	0.19	2.33	0.83	1.29	0.07	0.63	0.12	029	0.24	余量	16.5
4	0.22	2.26	0.95	1.44	0.06	0.58	0.05	0.32	0.28	余量	17.3
												5	0.14	2.40	1.08	1.36	0.06	0.40	0.09	0.29	0.25	余量	19.2

                   表2复合材料力学性能

实施例	硬度，HRC	抗拉强度，MPa	冲击韧性，J/cm2
				1	56.7	675.4	21.8
2	55.8	688.0	23.7
				3	55.5	680.6	23.9
4	56.2	677.3	22.6
				5	56.9	679.7	22.3

取本发明原位合成硼化物/铁基复合材料制作的锤头和衬板，在破碎机和球磨机上，进行装机使用，结果如下：本发明原位合成硼化物/铁基复合材料制作的锤头和衬板，其使用寿命比高锰钢提高2-4倍，与高铬白口铸铁相当，但生产成本比高铬铸铁降低40％以上。本发明原位合成硼化物/铁基复合材料生产工艺简单，原料来源丰富，不含贵重合金元素，生产成本低廉，推广应用具有很好的经济和社会效益。

Claims (2)

1、一种原位合成硼化物/铁基复合材料，其特征在于强化相是TiB₂和Fe₂B，其体积百分数为15-20％，且复合材料各元素的化学成分按重量百分比为：0.08-0.25C，2.0-2.5B，0.8-1.2Ti，1.2-1.6Cu，0.05-0.08Mg，0.4-0.8Ce，0.05-0.12K，Si＜0.5，Mn＜0.5，S＜0.03，P＜0.04，Fe余量。

2、如权利要求1所说的原位合成硼化物/铁基复合材料制造方法，其特征在于用电炉生产，其工艺步骤是：

(1)将Q235钢、45钢、铜板在电炉中混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将熔体温度升高至1620-1660℃，并加入占熔体重量0.15-0.25％铝脱氧，然后加入硼铁和钛铁。

(2)当硼铁和钛铁全部熔化后，将金属铈用薄钢板包好后，压入炉内，然后将熔体注入压力加镁包，包内预先放置有镁块，并用钾盐覆盖。

(3)然后将经过钾和镁处理过的金属熔体浇注成铸件，熔体浇注温度1420-1460℃；

(4)铸件清理后，在950-980℃保温2-4小时，水冷，然后在200-220℃进行回火处理，回火保温时间6-10小时，最后空冷至室温。