CN115044819B - 一种高硬度原位增强铁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硬度原位增强铁基复合材料，以铁碳合金为基体，基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒；本发明还公开了该复合材料的制备方法，包括：一、准备原料粉末；二、原料粉末按比例混匀后进行一级高能球磨；三、与铁碳合金粉混匀；四、二级低能球磨；五、冷等静压；六、真空热压烧结。本发明采用基体中弥散分布的原位微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒作为增强相形成铁基复合材料，能够有效阻碍位错的运动，与基体碳化物起到显著的协同强化作用，且原位生成的增强相与铁基体的界面洁净无污染，界面结合强度高，使得铁基复合材料具有高硬度、高耐磨的特性；本发明的制备方法简便易行、灵活可控。

Description

一种高硬度原位增强铁基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高硬度原位增强铁基复合材料及其制备方法。

背景技术

磨料磨损指物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失的现象。磨料磨损是最常见的磨损形式之一，尤其是在矿山、冶金、水泥、电力、化工、海洋工程等国家基础工业中广泛存在，同时也是危害最为严重的磨损形式。统计表明在各类磨损形式中，磨料磨损约占总消耗的50%。常用的耐磨材料经历了由高锰钢、镍硬铸铁、高铬铸铁到各类耐磨合金钢的发展阶段。随着工业不断发展，材料的服役环境不断恶化，多元损伤形式的叠加让材料磨料磨损失效更为复杂，传统的耐磨材料难以满足当前的使用需求，亟需研制耐磨性更好的新型铁基材料。

颗粒增强铁基复合材料可以充分发挥金属基体的韧性特征和陶瓷颗粒的高硬度、高耐磨性特征，极大程度地提高工件的耐磨性。增强相的选择对铁基复合材料的性能有至关重要的作用。目前铁基体中采用的陶瓷颗粒主要有Al₂O₃、ZTA、TiC、WC、SiC等。然而，这些颗粒大多通过外加法引入，存在颗粒与基体界面结合差、塑韧性差的问题。原位合成的增强体在金属基体内形核、长大，表面洁净无污染，与基体界面结合良好，强韧化效果好，具有更广阔的应用前景。

授权号为CN109136723B的中国专利公开了一种采用自蔓延反应合成铁基复合粉体的方法，生成TiN和TiB₂两种增强相，但产物仍是粉体，且工艺不稳定，难以批量化生产。

公开号为CN113061796A的中国专利公布了一种铝合金表面铁基陶瓷复合材料、涂层及其制备方法，采用激光合金化的方法在铝合金表面形成陶瓷涂层，但是生成物极为复杂，且成本较高，难以制备大尺寸样品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高硬度原位增强铁基复合材料。该复合材料中采用基体中弥散分布的原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒作为增强相形成铁基复合材料，有效阻碍了位错的运动，并与基体碳化物起到显著的协同强化作用，且原位生成的增强相与铁基体的界面洁净无污染，界面结合强度高，使得铁基复合材料具有高硬度、高耐磨的性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高硬度原位增强铁基复合材料，其特征在于，以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为5.0%~50.0%，尺寸为0.5μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为0.5%~10.0%，尺寸为0.2μm~5μm；所述原位增强铁基复合材料的硬度为63HRC~70HRC。

根据Hume-Rothery法则，Ti(N,C)是由TiN和TiC无限固溶形成的三元化合物，晶格常数介于两者之间，弹性模量达251GPa~440GPa，由于Ti(N,C)具有更好的热稳定性、导电导热性能、优良的抗蠕变性和耐磨耐蚀性，且与钢铁的润湿性好，表现出优异的综合性能；而TiB是一种具有高强度、高硬度和弹性模量的陶瓷相。由于传统高铬铸铁合金中碳化物多为长条状，形貌粗大，导致合金塑韧性差，受到冲击时容易开裂，缩小了其适用范围。本发明采用原位生成的Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒作为增强相形成铁基复合材料，首先利用原位生成弥散分布的Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒阻碍铁基体中碳化物的生长，使其转变为颗粒状，有效改善了铁基复合材料的组织形貌及韧性，且Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒尺寸细小，且均为多面体形貌，弥散分布在铁基体中，有效阻碍位错的运动，起到显著的强化作用；其次，通过控制Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒的质量百分比和尺寸，从而获得具有不同硬度和弯曲强度匹配的铁基复合材料，两种原位增强相与基体碳化物发挥弥散强化和载荷传递强化的协同作用，有效提高了铁基复合材料的硬度和强度；再次，由于Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒增强相为原位生成，与铁基体的界面清洁无污染，界面结合强度高，进一步提高了铁基复合材料的硬度和抗弯强度。综上，本发明的高硬度原位增强铁基复合材料具有高硬度、高耐磨性能，应用前景广阔。

上述的一种高硬度原位增强铁基复合材料，其特征在于，所述微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒由钛粉、氮质体粉、硼粉在高温下与铁碳合金中的碳原子发生液固原位反应生成。本发明采用钛粉、氮质体粉、硼粉在高温下与铁碳合金中的碳原子发生液固原位反应生成微米级的Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒增强相，通过控制增强相颗粒的原料粉末，有效控制了增强相颗粒的形貌和尺寸，并与基体界面结合良好，促进了Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒与基体碳化物的协同强化作用。

另外，本发明还提供了一种制备如上述的高硬度原位增强铁基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括钛粉、氮质体粉和硼粉，且原料中钛粉的质量百分比为50%~80%，氮质体粉的质量百分比为15%~45%，硼粉的质量百分比为0%~5%；所述氮质体粉为BN、TiN、ZrN和CrN中的至少一种；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以200r/min~500r/min的转速进行一级高能球磨4h~10h，得到一级混合粉末；所述过程控制剂硬脂酸的加入质量为原料质量的1%；

步骤三、将步骤二中得到的一级混合粉末与铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中铁碳合金粉的质量百分比为60%~90%，一级混合粉末的质量百分比为10%~40%；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以50r/min~250r/min的转速进行二级低能球磨4h~12h，得到二级混合粉末；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在50MPa~250MPa的压力保压5min~15min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1200℃~1600℃保温0.5h~5h，然后降温至800℃~1100℃并施加20MPa~80MPa的压力保压20min~120min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

本发明将钛粉、氮质体粉和硼粉混匀后加入过程控制剂，在氩气保护下进行一级高能球磨，使得钛粉表面均匀包覆轻质的氮质体粉和硼粉，并促进钛粉与氮质体粉、硼粉之间优先发生反应生成TiN相和TiB相，得到一级混合粉末，然后将一级混合粉末与铁碳合金粉混匀进行二级低能球磨，以进一步混匀，经冷等静压制成冷压坯体后进行真空热压烧结，采用先升温后降压加压的烧结制度，促进烧结各原料充分反应，提供了复合材料的致密度；同时，利用TiN与TiC晶格相近的特性，使得铁碳合金粉末中的碳原子均匀扩散进入TiN相中形成Ti(N,C)，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。另外，本发明的球磨过程中添加硬脂酸作为过程控制剂，减少了高能球磨过程中的冷焊现象，提高了球磨混合的均匀性。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述钛粉的粒度为10μm~150μm，氮质体粉的粒度不超过3μm，硼粉的粒度不超过5μm，步骤三中所述铁碳合金粉的粒度为10μm~200μm。本发明通过对钛粉、氮质体粉、硼粉的粒度控制，保证了高能球磨过程中轻质的氮质体粉和硼粉充分均匀包覆在钛粉表面，且低能球磨过程中与铁碳合金粉充分接触混匀，促进了后续真空热压烧结过程中反应的充分进行。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为3~8:1，步骤四中所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为1~4:1。通过对一级高能球磨和二级低能球磨过程中研磨介质和球料比的限定，保证了对应球磨混合的效果，又防止了冷焊现象的发生，有利于后续烧结工艺的进行。

上述的方法，其特征在于，步骤三中所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C1%~4%，Cr20%~30%，Si1%~3%，Ni0.1%~1%，B0.5%~3%，V0.05%~1%，Mn0.1%~1%，Mo0.1%~1%，余量为Fe及不可避免的杂质。该铁碳合金粉的成分基于当前广泛使用的高铬铸铁合金，通过碳元素提供发生原位反应所需的碳源，同时降低了钒、钼等元素含量，在保证硬度和耐磨性的基础上，有利于降低成本。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用基体中弥散分布的原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒作为增强相形成铁基复合材料，有效阻碍了位错的运动，并与基体碳化物起到显著的协同强化作用，且原位生成的增强相与铁基体的界面洁净无污染，界面结合强度高，使得铁基复合材料具有高硬度、高耐磨的性能。

2、本发明的铁基复合材料中微米级第二相即两种增强相的存在，阻碍了铁基体中碳化物的生长，使得铁基体中碳化物的形貌由粗大转变为细小的颗粒状，有效改善了铁基复合材料的脆性，进而降低了对基体的割裂作用，进一步提高了增强相的增强效果。

3、本发明采用两步混料方式，先利用高能球磨生成TiN相和TiB相，再利用了TiN与TiC晶格相近的特性，使得铁碳合金粉末中的C原子渐进式掺杂具有非化学计量比的TiN形成Ti(N,C)，实现了在铁基体中原位生成Ti(N,C)和TiB颗粒增强相，从而两种增强相发挥协同强化作用，保证了铁基复合材料的高硬度、高耐磨性能。

4、本发明通过控制原料钛粉、氮质体粉和硼粉以及铁碳合金粉的加入量，结合控制真空热压烧结的反应温度和保温时间，实现了对铁基复合材料中Ti(N,C)和TiB颗粒增强相的形貌、粒径及含量的调控，调控效果好，安全方便，易于实现。

5、本发明采用液固原位反应生成Ti(N,C)和TiB颗粒增强相的工艺简单环保，安全经济，可控性强，易于实现大尺寸和高体积分数增强相的铁基复合材料的制备。

6、本发明的原位增强铁基复合材料的洛氏硬度高达63HRC~70HRC，抗弯强度高达385MPa ~603MPa，具有优异的硬度和强度力学性能，适用于制造多种高硬度耐磨零部件。

7、本发明可根据实际使用工况设计原位增强铁基复合材料中基体和增强相的比例，以获得具有不同的硬度、弯曲强度和耐磨性匹配的铁基复合材料，简便灵活。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明高硬度原位增强铁基复合材料的制备工艺流程图。

图2为本发明实施例1中采用的钛粉的SEM形貌图。

图3a为本发明实施例1中制备的一级混合粉末的SEM形貌图。

图3b为图3a中A处的EDS点分析结果图。

图4为本发明实施例1中采用的铁碳合金粉的SEM形貌图。

图5为本发明实施例1中二级混合粉末的SEM形貌图。

图6a为本发明实施例1中制备的高硬度原位增强铁基复合材料的SEM形貌图。

图6b为图6a中B处的EDS点分析结果图。

图7为本发明实施例1中制备的高硬度原位增强铁基复合材料的XRD衍射图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为12%，尺寸为0.5μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为8%，尺寸为 0.2μm~3μm。

如图1所示，本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括24g钛粉和16g的BN粉；所述钛粉的粒度为50μm，BN粉的粒度为1μm；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程0.4g控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以300r/min的转速进行一级高能球磨6h，得到一级混合粉末；所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为 5:1；

步骤三、将40g步骤二中得到的一级混合粉末与160g铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述铁碳合金粉的粒度为10μm；所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C1%，Cr20%，Si1%，Ni0.1%，B0.5%，V0.05%，Mn0.1%，Mo0.1%，余量为Fe及不可避免的杂质；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以200r/min的转速进行二级低能球磨4h，得到二级混合粉末；所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为3:1；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在200MPa的压力保压5min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1400℃保温1h，然后降温至1000℃并施加30MPa的压力保压60min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

图2为本实施例中采用的钛粉的SEM形貌图，从图2可以看出，该钛粉的形貌为球形，且尺寸为几十微米。

图3a为本实施例中制备的一级混合粉末的SEM形貌图，图3b为图3a中A处的EDS点分析结果图，从图3a和图3b可以看出，经一级高能球磨后制备的一级混合粉末中，球形Ti粉表面紧密包裹有BN粉和硼粉。

图4为本实施例中采用的铁碳合金粉的SEM形貌图，从图4可以看出，该铁碳合金粉的形貌为球形，且尺寸为几十微米。

图5为本实施例中二级混合粉末的SEM形貌图，从图5可以看出，该二级混合粉末中的各组分混合较为均匀。

图6a为本实施例中制备的高硬度原位增强铁基复合材料的SEM形貌图，图6b为图6a中B处的EDS点分析结果图，从图6a和图6b可以看出，原位增强铁基复合材料中原位合成的形状规则的陶瓷颗粒为Ti(N,C)，尺寸为0.5μm~15μm。

图7为本实施例中制备的高硬度原位增强铁基复合材料的XRD衍射图，从图7可以看出，该高硬度原位增强铁基复合材料中除了Ti(N,C)颗粒，还含有原位生成的TiB和CrFeB颗粒。

实施例2

本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为10%，尺寸为1μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为6%，尺寸为1μm~5μm。

如图1所示，本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括20g钛粉、18g的BN粉和2g硼粉；所述钛粉的粒度为10μm，BN粉的粒度为2μm，硼粉的粒度为1μm；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程0.4g控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以300r/min的转速进行一级高能球磨6h，得到一级混合粉末；所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为3:1；

步骤三、将40g步骤二中得到的一级混合粉末与160g铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述铁碳合金粉的粒度为100μm；所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C2%，Cr25%，Si2%，Ni0.6%，B1.5%，V0.1%，Mn0.5%，Mo0.5%，余量为Fe及不可避免的杂质；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以50r/min的转速进行二级低能球磨12h，得到二级混合粉末；所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为1:1；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在50MPa的压力保压15min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1200℃保温5h，然后降温至800℃并施加80MPa的压力保压120min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

实施例3

本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为26%，尺寸为1μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为10%，尺寸为 0.2μm~3μm。

如图1所示，本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括64g钛粉、12g的BN粉和4g硼粉；所述钛粉的粒度为150μm，BN粉的粒度为3μm，硼粉的粒度为3μm；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程0.8g控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以200r/min的转速进行一级高能球磨10h，得到一级混合粉末；所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为6:1；

步骤三、将80g步骤二中得到的一级混合粉末与120g铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述铁碳合金粉的粒度为200μm；所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C4%，Cr30%，Si3%，Ni1%，B3%，V1%，Mn1%，Mo1%，余量为Fe及不可避免的杂质；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以250r/min的转速进行二级低能球磨4h，得到二级混合粉末；所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为2:1；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在200MPa的压力保压5min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1350℃保温1h，然后降温至900℃并施加35MPa的压力保压90min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

实施例4

本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为5%，尺寸为0.5μm~10μm，TiB颗粒的质量百分比为5%，尺寸为 0.2μm~3μm。

如图1所示，本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括16g钛粉、2gBN粉、1g TiN粉和1g硼粉；所述钛粉的粒度为30μm，BN粉的粒度为1μm，TiN粉的粒度为1μm，硼粉的粒度为5μm；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程0.2g控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以300r/min的转速进行一级高能球磨6h，得到一级混合粉末；所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为8:1；

步骤三、将40g步骤二中得到的一级混合粉末与160g铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述铁碳合金粉的粒度为50μm；所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C2.2%，Cr26%，Si1.5%，Ni0.6%，B1.5%，V0.2%，Mn0.7%，Mo0.3%，余量为Fe及不可避免的杂质；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以200r/min的转速进行二级低能球磨4h，得到二级混合粉末；所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为4:1；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在200MPa的压力保压5min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1400℃保温0.5h，然后降温至1000℃并施加50MPa的压力保压20min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

实施例5

本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为12%，尺寸为3μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为8%，尺寸为1μm~5μm。

如图1所示，本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括24g钛粉、10g BN粉、2g TiN粉、2g ZrN粉和2g硼粉；所述钛粉的粒度为50μm，BN粉的粒度为0.5μm，TiN粉的粒度为3μm，ZrN粉的粒度为1μm，硼粉的粒度为2μm；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程0.4g控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以500r/min的转速进行一级高能球磨4h，得到一级混合粉末；所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为4:1；

步骤三、将40g步骤二中得到的一级混合粉末与160g铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述铁碳合金粉的粒度为40μm；所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C3%，Cr26%，Si1.6%，Ni0.8%，B0.9%，V0.25%，Mn0.8%，Mo0.4%，余量为Fe及不可避免的杂质；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以200r/min的转速进行二级低能球磨8h，得到二级混合粉末；所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为2:1；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在100MPa的压力保压10min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1450℃保温1h，然后降温至1000℃并施加20MPa的压力保压60min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

实施例6

本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为9.5%，尺寸为0.5μm~5μm，TiB颗粒的质量百分比为0.5%，尺寸为 0.2μm~2μm。

如图1所示，本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括10.4g钛粉、3g BN粉、2g TiN粉、2g ZrN粉和2g CrN粉和0.6g硼粉；所述钛粉的粒度为80μm，BN粉的粒度为1μm，TiN粉的粒度为2μm，ZrN粉的粒度为3μm，CrN粉的粒度为3μm，硼粉的粒度为1μm；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程0.2g控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以300r/min的转速进行一级高能球磨6h，得到一级混合粉末；所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为 5:1；

步骤三、将20g步骤二中得到的一级混合粉末与180g铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述铁碳合金粉的粒度为80μm；所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C1%，Cr30%，Si1.5%，Ni0.75%，B1.2%，V0.65%，Mn0.45%，Mo0.35%，余量为Fe及不可避免的杂质；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以200r/min的转速进行二级低能球磨4h，得到二级混合粉末；所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为3:1；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在250MPa的压力保压5min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1300℃保温3h，然后降温至1000℃并施加60MPa的压力保压60min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

实施例7

本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为12%，尺寸为5μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为8%，尺寸为2μm~5μm。

如图1所示，本实施例的高硬度原位增强铁基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括24g钛粉和16g的BN粉；所述钛粉的粒度为100μm，BN粉的粒度为2μm；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程0.4g控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以300r/min的转速进行一级高能球磨6h，得到一级混合粉末；所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为6:1；

步骤三、将40g步骤二中得到的一级混合粉末与160g铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述铁碳合金粉的粒度为50μm；所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C2.5%，Cr27%，Si2%，Ni0.5%，B2.5%，V0.6%，Mn0.6%，Mo0.4%，余量为Fe及不可避免的杂质；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以200r/min的转速进行二级低能球磨4h，得到二级混合粉末；所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为3:1；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在200MPa的压力保压5min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1600℃保温1h，然后降温至1100℃并施加30MPa的压力保压60min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

对本发明实施例1~实施例7中的Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料的洛氏硬度和三点弯曲性能进行检测，结果如下表1所示。

从表1可知，本发明方法制备的Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料的洛氏硬度高达63HRC~70HRC，抗弯强度高达385MPa ~603MPa，具有优异的硬度和强度力学性能，说明本发明原位合成的增强相具有优异的强化效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高硬度原位增强铁基复合材料，其特征在于，以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为5.0%~50.0%，尺寸为0.5μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为0.5%~10.0%，尺寸为0.2μm~5μm；所述原位增强铁基复合材料的硬度为63HRC~70HRC。

2.根据权利要求1所述的一种高硬度原位增强铁基复合材料，其特征在于，所述微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒由钛粉、氮质体粉、硼粉在高温下与铁碳合金中的碳原子发生液固原位反应生成。

3.一种制备如权利要求1或2所述的高硬度原位增强铁基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、准备原料包括钛粉、氮质体粉和硼粉，且原料中钛粉的质量百分比为50%~80%，氮质体粉的质量百分比为15%~45%，硼粉的质量百分比为0%~5%；所述氮质体粉为BN、TiN、ZrN和CrN中的至少一种；

步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以200r/min~500r/min的转速进行一级高能球磨4h~10h，得到一级混合粉末；所述过程控制剂硬脂酸的加入质量为原料质量的1%；

步骤三、将步骤二中得到的一级混合粉末与铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中铁碳合金粉的质量百分比为60%~90%，一级混合粉末的质量百分比为10%~40%；

步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以50r/min~250r/min的转速进行二级低能球磨4h~12h，得到二级混合粉末；

步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在50MPa~250MPa的压力保压5min~15min，得到冷压坯体；

步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1200℃~1600℃保温0.5h~5h，然后降温至800℃~1100℃并施加20MPa~80MPa的压力保压20min~120min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述钛粉的粒度为10μm~150μm，氮质体粉的粒度不超过3μm，硼粉的粒度不超过5μm，步骤三中所述铁碳合金粉的粒度为10μm~200μm。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤二中所述一级高能球磨采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质与原料的质量比为3~8:1，步骤四中所述二级低能球磨采用的研磨介质为玛瑙球，且研磨介质与混合粉末的质量比为1~4:1。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三中所述铁碳合金粉由以下质量百分比的成分组成：C1%~4%，Cr20%~30%，Si1%~3%，Ni0.1%~1%，B0.5%~3%，V0.05%~1%，Mn0.1%~1%，Mo0.1%~1%，余量为Fe及不可避免的杂质。

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