CN102586670A - 一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，其特征在于：以高强韧球墨铸铁为基体，以原位生成的亚微米碳化钛颗粒为增强颗粒，且碳化钛颗粒在球墨铸铁基体上均匀分布，获得高强高韧铁基复合材料；采用机械合金化方法，将铁粉、钛粉和碳粉充分混合形成复合粉，采用常规方法熔化和处理球墨铸铁，并在二次孕育过程中将复合粉按比例加入到铁水中，保温5~10min，随即浇注获得铸态复合材料，再对铸态复合材料进行等温淬火热处理，从而获得铁基复合材料。通过该方法制备的铁基复合材料中，原位碳化钛颗粒尺寸细小、在基体上分布均匀，保证了材料具有高强高韧特性。

Description

一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铁基复合材料及其制备方法，具体而言为涉及一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法。

背景技术

通过在铁基材料中添加高强度、高硬度的陶瓷增强颗粒，可以获得铁基复合材料，有效提高了铁基材料的强度，在耐热、耐磨等服役条件下得到了广泛的应用。铁基复合材料根据颗粒增强体的来源可以分为外加颗粒增强铁基复合材料和原位颗粒增强铁基复合材料。由于原位生成的增强颗粒往往是通过化学反应从金属基体中直接生成的热力学稳定相，因此增强颗粒与铁基体之间界面结合好、界面上没有脆性析出相，有利于提高材料的综合性能。另外，原位复合方法节省了单独合成、加工、加入和分散增强体的工序，简化了工艺，减少了设备，降低成本；利用液态原位反应合成工艺，可制造形状复杂的零件。

用于制备铁基复合材料的原位合成技术主要有：反应熔铸法、燃烧合成法、机械合金化法、碳热/铝热还原法等。反应熔铸法(Reaction Casting，RC) 是一种将增强颗粒的原位反应合成同传统的铸造成形过程结合起来的工艺。其基本原理是：在一定成分的液态合金中，利用合金液的高温，使合金液中的合金元素之间或合金元素与化合物之间发生充分的化学反应，生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强颗粒，然后通过铸造成形即获得了由原位颗粒增强的金属基复合材料。采用该工艺反应界面不受污染，界面结合较好；增强相在反应过程中获得，避免了单独生产增强相的工艺步骤，工艺简化；可由直接铸造获得近终形的产品，便于制造结构复杂的部件。但是，由于铁基材料成型温度往往较高，原位化学反应不太容易控制，复合材料制备过程中工艺操作比较困难，因此采用原位复合方法制备铁基复合材料还没有工业应用的相关报道。

在铁基复合材料中，最常用的陶瓷增强材料是Al₂O₃、SiC和TiC。其中，Al₂O₃陶瓷与Fe熔液的润湿性差，无界面反应；SiC陶瓷材料与Fe熔液在高温下产生剧烈的化学反应，生成脆性相铁硅化合物和片状石墨组织存在于界面之间，恶化陶瓷−金属界面；TiC陶瓷与Fe熔液之间的润湿性较好，两者之间无界面反应。

采用反应熔铸法已经成功制备了TiCp/Fe复合材料，但是还存在不足之处。首先，要想熔体获得良好的流动性， Ti 和C的最大含量要分别低于8%~10%和3%~4%，因此该方法适用于制备TiC含量较低的铁基复合材料。其次，反应熔铸法反应温度高，需要达1550~1600℃，对于以高强度球墨铸铁为基体的材料不太合适。另外，制备的TiCp/Fe复合材料还存在TiC分布不均匀的问题。采用燃烧合成法直接制备的金属/陶瓷复合材料难以致密化，尽管有液相存在，孔隙率仍高达7%~13%；机械合金化制备出的复合材料TiC弥散析出，但稳定性还不够好，其制备工艺复杂，难以获得比较复杂的零件。

随着科技水平的提高，对结构材料的要求也越来越高，在不少结构件上都提出了高强高韧的要求，即要求材料具有很高强度的条件下具有很好的韧性。传统的材料，如钢铁材料、球墨铸铁等，虽然能在一定程度上满足要求，但是当强度和韧性指标都非常高时往往难以满足要求。研究表明，TiC 颗粒分布越弥散且尺寸越小，在拉伸过程中就不会出现应力集中，从而使它的强度提高且塑性也得到一定的提高。而当TiC 颗粒分布弥散度不高或甚至出现团聚，则会导致显微组织中局部区域内的严重微观应变，从而在拉伸过程中降低强度和塑性。因此，迫切需要提出一种新型材料，通过原位方法获得细小均匀的增强颗粒并使其在铁基材料上均匀分布，从而保证材料具有很高的强度，同时通过热处理获得强度和韧性有机结合的基体。

发明内容

本发明提出一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，其原理是：采用机械合金化方法将铁粉、钛粉和碳粉充分混合形成复合粉，并在球墨铸铁二次孕育过程中加入到铁水中，通过铁水的加热作用使复合粉熔化分散到铁水中，在随后的降温冷却过程中析出弥散分布的亚微米原位碳化钛颗粒，再通过等温淬火热处理获得高强高韧基体，与原位碳化钛颗粒复合获得更高的强度，从而获得新型铁基复合材料。

一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：以高强韧球墨铸铁为基体，以原位生成的亚微米碳化钛颗粒为增强颗粒，且碳化钛颗粒在球墨铸铁基体上均匀分布，这样获得的高强高韧铁基复合材料。

一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料制备方法，其特征在于：采用机械合金化方法，将铁粉、钛粉和碳粉充分混合形成复合粉，采用常规方法熔化和处理球墨铸铁，并在二次孕育过程中将复合粉按比例加入到铁水中，保温5~10min，随即浇注获得铸态复合材料，再对铸态复合材料进行等温淬火热处理，从而获得铁基复合材料。

所涉及的高强韧球墨铸铁，是指通过等温淬火处理获得的球墨铸铁，其抗拉强度不低于1000MPa，伸长率不低于10%，冲击韧性不低于120J。

所涉及的原位碳化钛颗粒，是指在球墨铸铁基体上原位析出的平均尺寸在200nm以下的碳化钛颗粒，其体积分数为0.5~3.0%。

所涉及的将铁粉、钛粉和碳粉充分混合形成复合粉，是指采用高能球磨方法，将铁粉：钛粉：碳粉质量比为5~7:2~4:1的粉体放入球磨机，在中性或者还原性气氛下研磨，时间为6~10h。

所涉及的在二次孕育过程中将复合粉按比例加入到铁水中，是指根据实际生产对TiC颗粒体积分数的要求，在球墨铸铁二次孕育过程中随孕育剂加入质量分数为球墨铸铁1.0%~6.0%的铁钛碳复合粉。

所涉及的等温淬火热处理，是指通过奥氏体化获得均匀细小的奥氏体组织，然后通过380~400℃等温淬火60~120分钟，获得奥氏体-贝氏体混合组织。

本发明提出的原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，通过预先机械合金化的方法，实现了铁、钛和碳的复合，通过熔化-析出形成尺寸细小的碳化钛颗粒，避免了大尺寸碳化钛颗粒的形成；同时，铁、钛和碳的复合粉在球墨铸铁二次孕育过程中加入到铁水中，工艺实现容易，且保证了钛、碳元素在铁水中的均匀分散，从而提高了后续析出的碳化钛颗粒分布的均匀性。

附图说明

图1为原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料的扫描电镜照片。

具体实施例

本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例。在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例 1

要制备体积分数为0.5%的碳化钛颗粒增强铁基复合材料。采用机械合金化方法，将铁粉、钛粉和碳粉比例为7:2:1的粉体放入球蘑机，在中性或者还原性气氛下研磨，时间为6h，充分混合形成复合粉，采用常规方法熔化和处理球墨铸铁，在球墨铸铁二次孕育过程中随孕育剂加入质量分数占球墨铸铁1.5%的铁钛碳复合粉，保温5min，随即浇注获得铸态复合材料，然后对铸态复合材料奥氏体化并在380℃的温度下等温淬火热处理120分钟。

图1为原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料的扫描电镜照片。从图中可以看出，所获得的TiC颗粒平均尺寸约为200nm，且在基体上分布均匀。该铁基复合材料的力学性能为：抗拉强度1120MPa，伸长率13%，冲击韧性140J。

实施例 2

要制备体积分数为3%的碳化钛颗粒增强铁基复合材料。采用机械合金化方法，将铁粉、钛粉和碳粉比例为5:4: 1的粉体放入球蘑机，在中性或者还原性气氛下研磨，时间为10h，充分混合形成复合粉，采用常规方法熔化和处理球墨铸铁，在球墨铸铁二次孕育过程中随孕育剂加入质量分数占球墨铸铁6.0%的铁钛碳复合粉，保温10min，随即浇注获得铸态复合材料，然后对铸态复合材料进行与实施例1相同的工艺步骤等温淬火热处理。所制备的TiC颗粒增强铁基复合材料中增强颗粒平均尺寸约为80nm，且在基体上分布均匀，复合材料的力学性能为：抗拉强度1250MPa，伸长率10%，冲击韧性150J。

实施例 3

要制备体积分数为1.5%的碳化钛颗粒增强铁基复合材料。采用机械合金化方法，将铁粉、钛粉和碳粉比例为6:3:1的粉体放入球蘑机，在中性或者还原性气氛下研磨，时间为8h，充分混合形成复合粉，采用常规方法熔化和处理球墨铸铁，在球墨铸铁二次孕育过程中随孕育剂加入质量分数为球墨铸铁3.5%的铁钛碳复合粉，保温8min，随即浇注获得铸态复合材料，然后对铸态复合材料进行奥氏体化并在400℃等温淬火热处理60分钟。所制备的TiC颗粒增强铁基复合材料中增强颗粒平均尺寸约为100nm，且在基体上分布均匀，复合材料的力学性能为：抗拉强度1200MPa，伸长率11%，冲击韧性135J。

实施例 4

要制备体积分数为2%的碳化钛颗粒增强铁基复合材料。采用机械合金化方法，将铁粉、钛粉和碳粉比例为5.5:3.5:1的粉体放入球蘑机，在中性或者还原性气氛下研磨，时间为6h，充分混合形成复合粉，采用常规方法熔化和处理球墨铸铁，在球墨铸铁二次孕育过程中随孕育剂加入质量分数为球墨铸铁4.5%的铁钛碳复合粉，保温10min，随即浇注获得铸态复合材料，然后对铸态复合材料进行奥氏体化并在390℃等温淬火热处理100分钟。所制备的TiC颗粒增强铁基复合材料中增强颗粒平均尺寸约为90nm，且在基体上分布均匀，复合材料的力学性能为：抗拉强度1180MPa，伸长率10%，冲击韧性135J。

实施例 5

要制备体积分数为1%的碳化钛颗粒增强铁基复合材料。采用机械合金化方法，将铁粉、钛粉和碳粉比例为6.5:2.5:1的粉体放入球蘑机，在中性或者还原性气氛下研磨，时间为6h，充分混合形成复合粉，采用常规方法熔化和处理球墨铸铁，在球墨铸铁二次孕育过程中随孕育剂加入质量分数为球墨铸铁2.5%的铁钛碳复合粉，保温8min，随即浇注获得铸态复合材料，然后对铸态复合材料进行奥氏体化并在390℃等温淬火热处理90分钟。所制备的TiC颗粒增强铁基复合材料中增强颗粒平均尺寸约为120nm，且在基体上分布均匀，复合材料的力学性能为：抗拉强度1150MPa，伸长率12%，冲击韧性140J。

Claims (7)

1.一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：以高强韧球墨铸铁为基体，以原位生成的亚微米碳化钛颗粒为增强颗粒，且碳化钛颗粒在球墨铸铁基体中均匀分布，这样获得的高强高韧铁基复合材料。

2.一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料制备方法，采用机械合金化方法，将铁粉、钛粉和碳粉充分混合形成复合粉，采用常规方法熔化和处理球墨铸铁，其特征在于：在二次孕育过程中将复合粉按比例加入到铁水中，保温5~10min，随即浇注获得铸态复合材料，再对铸态复合材料进行等温淬火热处理，得铁基复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：所述高强韧球墨铸铁，是指通过等温淬火处理获得的球墨铸铁，其抗拉强度不低于1000MPa，伸长率不低于10%，冲击韧性不低于120J。

4.根据权利要求1所述的一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：所述原位生成的亚微米碳化钛颗粒，是指在球墨铸铁基体上原位析出的平均尺寸在200nm以下的碳化钛颗粒，其体积分数为0.5~3.0%。

5.根据权利要求1所述的一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：所述复合粉是指采用高能球磨方法，将铁粉：钛粉：碳粉质量比为5~7:2~4:1的粉体放入球磨机，在中性或者还原性气氛下研磨，时间为6~10h。

6.根据权利要求2所述的一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料制备方法，其特征在于：所述在二次孕育过程中将复合粉按比例加入到铁水中，是指根据实际生产对TiC颗粒体积分数的要求，在球墨铸铁二次孕育过程中随孕育剂加入质量分数为球墨铸铁1.0%~6.0%的铁钛碳复合粉。

7.根据权利要求2所述的一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料制备方法，其特征在于：所述等温淬火热处理，是指通过奥氏体化获得均匀细小的奥氏体组织，然后通过380~400℃等温淬火60~120分钟，获得奥氏体-贝氏体混合组织。