CN103819192B

CN103819192B - 一种Fe、W、C三元相碳化物Fe3W3C及其制备方法

Info

Publication number: CN103819192B
Application number: CN201310675889.9A
Authority: CN
Inventors: 孙良; 李烨飞; 高义民; 汤姝莉
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103819192A

Abstract

本发明涉及一种Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的制备方法，采用还原铁粉、W粉、碳粉作为反应物原料，按Fe/W/C=（3～4）:（3～4）：（1～2）的化学计量比配制成Fe-W-C混合粉末。将一定量原料混合粉末与磨球加入球磨罐后，对球磨罐抽真空后通入氩气，在氩气保护下球磨。对于Fe-W-C混合粉末进行30～50h。球磨采用直径7～12mm的钢球，球料比为（7～10）:1，球磨机转速为400～500r/min。球磨完毕后，通过手套箱将开罐取粉，然后对球磨后的粉末通过拉伸机对粉末进行压坯，选取压力为400～600MPa，模具尺寸为Φ10～30空心圆柱。经过压坯后，放入SL63-7B真空碳管炉进行烧结，加热速度：10～50℃/min，在1000℃～1500℃下保温0.5～2小时后随炉冷至室温，取出则得到以三元碳化物Fe₃W₃C为主的块体材料。

Description

一种Fe、W、C三元相碳化物Fe3W3C及其制备方法

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C及其制备方法。

背景技术

在材料加工领域内，Fe₃W₃C三元碳化物被发现广泛存在于各种方法制备的碳化钨增强铁基复合材料界面之中，以及富WC相耐磨涂层与铁基合金的界面中，Fe₃W₃C相比常见硬质相具有更出色的力学性能及磁学性能。Fe₃W₃C作为复合材料的界面过渡层，能使基体与增强相间变为冶金结合，增加界面强度。此外，三元金属碳化物往往具有许多优异的性能。例如铸渗法制备WC增强铁基复合材料时会发生明显的界面反应，金属液渗透进颗粒间隙，凝固后形成含有Fe₃W₃C的复合层，复合层的组织及质量是影响材料性能的关键。而目前对Fe₃W₃C单相的性能及制备的研究均很缺乏。故研究Fe₃W₃C三元碳化物的性质，对于上述复合材料界面结构的深入研究和进一步优化具有重要意义，也可作为开发相关的新型复合材料的理论支持。

目前在结合界面上发现存在Fe₃W₃C三元碳化物的复合材料主要有WC颗粒增强高铬铸铁、钢、高锰钢等复合材料，以及富WC相的铁基合金涂层或硬质合金。涉及到负压铸渗、真空铸渗、离心铸渗、电冶熔铸，原位冶金法、激光熔注、等离子熔覆、激光感应熔覆、自蔓延离心熔覆及其他制备方法，研究Fe₃W₃C将促进我们理解其在上述领域起到的作用。

目前，对于三元碳化物，用机械合金化（MA）技术是制备此种新型高性能材料的重要途径之一。采用MA工艺制备的材料具有均匀细小的显微组织和弥散的强化相，力学性能往往优于传统工艺制备的同类材料。机械合金化（Mechanical Alloying，简称MA）是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。

机械合金化粉末并非像金属或合金熔铸后形成的合金材料那样，各组元之间充分达到原子间结合，形成均匀的固溶体或化合物。在大多数情况下，在有限的球磨时间内仅仅使各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原子级距离，并且最终得到的只是各组元分布十分均匀的混合物或复合物。当球磨时间非常长时，在某些体系中也可通过固态扩散，使各组元达到原子间结合而形成合金或化合物。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种能够极大的提高固体的反应特性以及粉末混合的均匀性，并显著降低反应温度的Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的制备方法如下：

1）取还原铁粉、W粉、纳米碳粉按还原铁粉：W粉：纳米碳粉=（3～4）:（3～4）：（1～2）的化学原子计量比配制成Fe-W-C混合粉末；

2）将Fe-W-C混合粉末与WC或不锈钢磨球加入球磨罐后，对球磨罐抽真空后通入氩气，在氩气保护下球磨；

3）球磨完成后取出粉末并通过拉伸机对粉末进行压坯得到空心圆柱试样；

4）将压制好的空心圆柱试样，通过真空碳管烧结炉对试样进行烧结，自室温以10～50℃/min的升温速度升温至1000℃～1500℃下保温0.5～2小时制备出Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的块体材料。

所述的还原铁粉的纯度为99%，粒度小于150μm；

W粉的纯度99.9%，粒度小于150μm；

纳米碳粉的纯度99.9%，粒度小于150μm。

所述的球磨采用QM-3SP4行星式球磨机，球磨时间为30～50h，磨球直径为7～12mm，磨球与Fe-W-C混合粉末的质量比为（7～10）:1，球磨机转速为400～500r/min。

所述球磨完成后在通入有惰性气体的保护手套箱中取出粉末。

所述压坯的压力为400～600MPa，保压10～60分钟，压坯模具采用Φ10～30mm的空心圆柱，模具材料为调质碳钢。

所述压坯模具内表面涂敷有固体润滑剂碳粉。

按本发明的制备方法制成的Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C，其性能指标为：致密度为95～98%，Fe₃W₃C的质量含量为90～95%，维氏硬度为16～17Gpa。

本发明采用Fe粉，W粉，C粉三种单质粉通过放入球磨机中进行机械合金化，然后通过冷压成型并放入真空碳管炉中在1000～1500℃烧结，有利于快速烧结合成Fe₃W₃C材料。

本发明所具有的有益效果为：

（1）由于Fe₃W₃C三元碳化物的本征性质至今一直缺乏深入的研究，原因就在于：其在一般条件下难以进行单独的制备和分离。同时，由于原料粉末的均匀混合十分困难，故三元碳化物在原材料熔点以下的温度是很难直接合成的。本发明采用机械合金化这一过程，则能够极大的提高固体的反应特性以及粉末混合的均匀性，并显著降低反应温度。

（2）经过机械合金化后的粉末通过冷压成型后，球磨后的粉末通过拉伸机对粉末进行压坯，可以有效增加烧制粉末的致密度。

（3）通过真空碳管烧结炉对试样进行烧结，可以有效制备出Fe₃W₃C的块体材料，有效解决了低温合成3元碳化物的问题。

附图说明

图1为烧制好的Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C块体材料的显微照片及显微硬度测试，由显微硬度测试得出其硬度值为16～17Gpa，并且致密度较好。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步说明，但不仅限于本发明保护范围。

实施例1：

1）取纯度为99%，粒度小于150μm的还原铁粉、纯度99.9%，粒度小于150μm的W粉和纯度99.9%，粒度小于150μm的纳米碳粉按还原铁粉：W粉：纳米碳粉=3：3：1的化学原子计量比配制成Fe-W-C混合粉末；

2）将Fe-W-C混合粉末与WC或不锈钢磨球加入球磨罐后，对球磨罐抽真空后通入氩气，在氩气保护下放在QM-3SP4行星式球磨机进行球磨，球磨时间为30h，磨球直径为7mm，磨球与Fe-W-C混合粉末的质量比为9：1，球磨机转速为500r/min；

球磨后由于粉末粒度变小，粉末的表面能急剧增大，并且有时不能冷却彻底，如直接在空气中开罐粉末易发生氧化甚至燃烧，因此需在通入有惰性气体的保护手套箱中取出粉末；

3）在压坯模具内表面涂敷固体润滑剂碳粉，然后将粉末加入压坯模具中通过拉伸机对粉末进行压坯得到空心圆柱试样，压坯的压力为500MPa，保压30分钟，压坯模具采用Φ10mm的空心圆柱，模具材料为调质碳钢；

4）将压制好的空心圆柱试样，通过真空碳管烧结炉对试样进行烧结，自室温以20℃/min的升温速度升温至1100℃下保温1小时制备出Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的块体材料。

所得Fe₃W₃C材料的致密度为96%，Fe₃W₃C的含量为90wt%，维氏硬度为16.2GPa。

实施例2：

1）取纯度为99%，粒度小于150μm的还原铁粉、纯度99.9%，粒度小于150μm的W粉和纯度99.9%，粒度小于150μm的纳米碳粉按还原铁粉： W粉：纳米碳粉=3：3：2的化学原子计量比配制成Fe-W-C混合粉末；

2）将Fe-W-C混合粉末与WC或不锈钢磨球加入球磨罐后，对球磨罐抽真空后通入氩气，在氩气保护下放在QM-3SP4行星式球磨机进行球磨，球磨时间为50h，磨球直径为10mm，磨球与Fe-W-C混合粉末的质量比为10：1，球磨机转速为400r/min；

3）在压坯模具内表面涂敷固体润滑剂碳粉，然后将粉末加入压坯模具中通过拉伸机对粉末进行压坯得到空心圆柱试样，压坯的压力为600MPa，保压40分钟，压坯模具采用Φ20mm的空心圆柱，模具材料为调质碳钢；

4）将压制好的空心圆柱试样，通过真空碳管烧结炉对试样进行烧结，自室温以30℃/min的升温速度升温至1200℃下保温40分钟制备出Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的块体材料。

所得Fe₃W₃C材料的致密度为97%，Fe₃W₃C的含量为95wt%，维氏硬度为16.4GPa。

实施例3：

1）取纯度为99%，粒度小于150μm的还原铁粉、纯度99.9%，粒度小于150μm的W粉和纯度99.9%，粒度小于150μm的纳米碳粉按还原铁粉：W粉：纳米碳粉=3.5：4：1.5的化学原子计量比配制成Fe-W-C混合粉末；

2）将Fe-W-C混合粉末与WC或不锈钢磨球加入球磨罐后，对球磨罐抽真空后通入氩气，在氩气保护下放在QM-3SP4行星式球磨机进行球磨，球磨时间为40h，磨球直径为8mm，磨球与Fe-W-C混合粉末的质量比为8：1，球磨机转速为450r/min；

3）在压坯模具内表面涂敷固体润滑剂碳粉，然后将粉末加入压坯模具中通过拉伸机对粉末进行压坯得到空心圆柱试样，压坯的压力为400MPa，保压60分钟，压坯模具采用Φ30mm的空心圆柱，模具材料为调质碳钢；

4）将压制好的空心圆柱试样，通过真空碳管烧结炉对试样进行烧结，自室温以10℃/min的升温速度升温至1000℃下保温2小时制备出Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的块体材料。

实施例4：

1）取纯度为99%，粒度小于150μm的还原铁粉、纯度99.9%，粒度小于150μm的W粉和纯度99.9%，粒度小于150μm的纳米碳粉按还原铁粉：W粉：纳米碳粉=4：3.5：2的化学原子计量比配制成Fe-W-C混合粉末；

2）将Fe-W-C混合粉末与WC或不锈钢磨球加入球磨罐后，对球磨罐抽真空后通入氩气，在氩气保护下放在QM-3SP4行星式球磨机进行球磨，球磨时间为35h，磨球直径为9mm，磨球与Fe-W-C混合粉末的质量比为7：1，球磨机转速为500r/min；

3）在压坯模具内表面涂敷固体润滑剂碳粉，然后将粉末加入压坯模具中通过拉伸机对粉末进行压坯得到空心圆柱试样，压坯的压力为500MPa，保压10分钟，压坯模具采用Φ20mm的空心圆柱，模具材料为调质碳钢；

4）将压制好的空心圆柱试样，通过真空碳管烧结炉对试样进行烧结，自室温以50℃/min的升温速度升温至1500℃下保温30分钟制备出Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的块体材料。

Claims

1.一种Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）取还原铁粉、W粉、纳米碳粉按还原铁粉：W粉：纳米碳粉=（3~4）:（3~4）：（1~2）的化学原子计量比配制成Fe-W-C混合粉末；所述的还原铁粉的纯度为99%，粒度小于150μm；W粉的纯度99.9%，粒度小于150μm；纳米碳粉的纯度99.9%，粒度小于150μm；

2）将Fe-W-C混合粉末与WC或不锈钢磨球加入球磨罐后，对球磨罐抽真空后通入氩气，在氩气保护下球磨；所述的球磨采用QM-3SP4行星式球磨机，球磨时间为30~50h，磨球直径为7~12mm，磨球与Fe-W-C混合粉末的质量比为（7~10）:1，球磨机转速为400~500r/min；

4）将压制好的空心圆柱试样，通过真空碳管烧结炉对试样进行烧结，自室温以10~50℃/min的升温速度升温至1000℃~1500℃下保温0.5~2小时制备出Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的块体材料。

2.根据权利要求1所述的Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的制备方法，其特征在于：所述球磨完成后在通入有惰性气体的保护手套箱中取出粉末。

3.根据权利要求1所述的Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的制备方法，其特征在于：所述压坯的压力为400~600MPa，保压10~60分钟，压坯模具采用Φ10~30mm的空心圆柱，模具材料为调质碳钢。

4.根据权利要求3所述的Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C的制备方法，其特征在于：所述压坯模具内表面涂敷有固体润滑剂碳粉。

5.一种如权利要求1-4中任意一项制备方法制成的Fe、W、C三元相碳化物Fe₃W₃C，其特征在于：其性能指标为：致密度为95~98%，Fe₃W₃C的质量含量为90~95%，维氏硬度为16~17Gpa。