CN115612909B - 网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料，以高铬铸铁合金为基体，基体中分布着微米级网状构型的氮化钛颗粒，且晶界碳化物得到显著细化；本发明铁基复合材料的制备方法为：一、准备原料粉末；二、原料粉搅匀后高能球磨混合得到复合粉末；三、真空热压烧结。本发明铁基复合材料中，呈网状构型分布的微米级氮化钛颗粒分布于高铬铸铁合金基体中，发挥增强体的强化作用，且晶界碳化物由板条状被显著细化为颗粒状，提高了铁基复合材料的硬度和抗弯性能；本发明采用粉末冶金法结合真空热压烧结，使得氮化钛颗粒增强体在高铬铸铁合金基体中构筑形成三维网状结构，提高了铁基复合材料的强度和韧性，且制备工艺简单易行，成本低。

Description

网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着现代工业不断发展，各领域对材料性能的要求逐步提高。其中，复杂的服役工况使得传统铁基耐磨材料已难以满足实际的需求。研究者们通过将一些性能优良的陶瓷颗粒相添加到钢铁或钢铁基合金中，显著提高其硬度和耐磨性能，从而减少摩擦磨损对材料的消耗，因此铁基复合材料具有广阔的应用前景。
众所周知，高铬铸铁由于具有优良的耐磨性能，是一种最常用的铁基耐磨材料，但其组织中的碳化物通常呈粗大的板条状，降低其塑韧性，因此，调控碳化物的形貌、粒度和分布对其力学性能和耐磨性能改善具有重要的意义。同样地，铁基复合材料中增强体的种类、粒度和分布构型对铁基复合材料的性能具有十分重要的影响。现有技术中，通常是将毫米级的陶瓷颗粒引入高铬铸铁基体中，起到抵抗磨粒磨损的效果，但不适用于精密摩擦磨损的场合，而且增强颗粒粒度较大，界面结合较弱，容易剥落。
近年来，网状构型强化是一种备受关注的增强方式，根据H-S理论，当硬质相形成三维网状结构，包裹塑韧性较好的软基体组织时，其综合强化效果通常要优于传统的连续长纤维增强、晶须/短纤维增强和弥散颗粒增强。然而，由于铁基合金熔点高、密度大，调控生成相应结构的复合材料较为困难。
授权号为CN102212740B的专利公开了含VN、TiN粉体高铬铸铁及其制备方法，采用了炉内加入法，但容易产生强化相颗粒分布不均，形成夹杂等缺陷。授权号为CN101570859B的专利公开了一种网络结构纳米氧化物增强的铁基表面复合材料的制备方法，采用燃烧合成反应和激光熔覆技术相结合，制备工艺复杂，且成本较高，仅适用于表面处理。公开号为CN101041876的专利公开了一种网络结构WC-Cr3C2陶瓷相增强的铁基复合材料，但所涉及反应较为剧烈，过程难以控制，且复合材料存在裂纹、孔洞、致密度低等缺陷问题。
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，提供一种网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料。该铁基复合材料中呈网状构型分布的增强体微米级氮化钛颗粒包裹高铬铸铁合金基体组织，从而有效发挥增强体的强化作用，显著提高了铁基复合材料的硬度和抗弯强度，同时晶界碳化物被显著细化，进一步改善了铁基复合材料的硬度和韧性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料，其特征在于，以高铬铸铁合金为基体，基体中分布着微米级网状构型的氮化钛颗粒，且晶界碳化物由板条状被显著细化为颗粒状，其中，氮化钛颗粒的质量百分含量为10%~50%，粒度为0.5μm~5μm；所述网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料的硬度为64HRC~70HRC，抗弯强度为300MPa~700MPa，断裂韧性为3.5MPa•m1/2~7.2MPa•m1/2。
本发明的铁基复合材料的高铬铸铁合金基体中分布着增强体微米级氮化钛颗粒，微米级氮化钛颗粒呈网状构型分布，并包裹高铬铸铁合金基体组织，从而发挥强化作用，显著提高了铁基复合材料的硬度和抗弯强度，而γ-Fe基体的塑韧性较好，网状构型的硬质陶瓷增强相包裹软的基体，有利于实现铁基复合材料的强韧性匹配，同时晶界碳化物被显著细化，进一步改善了铁基复合材料的硬度和韧性。
另外，本发明还公开了一种制备如上述的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的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、准备微米级氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末作为原料；
步骤二、将步骤一中准备的微米级氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末搅拌均匀，然后置于行星式球磨机中在真空条件下进行高能球磨混合，得到复合粉末；所述高能球磨混合的转速为200rpm~600rpm，时间为4h~8h；
步骤三、将步骤二中得到的复合粉末装填在石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，得到网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料；所述真空热压烧结的过程为：先从室温升温至1250℃~1600℃保温0.5h~4h，然后降温至800℃~1100℃并施加20MPa~80MPa的压力保温保压30min~120min。
本发明采用粉末冶金法，将微米级氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末搅匀后进行高能球磨混合得到复合粉末，通过控制高能球磨混合工艺实现氮化钛颗粒在高铬铸铁合金粉末表面的紧密包覆，然后进行真空热压烧结，高效调控氮化钛颗粒增强体在高铬铸铁合金粉末形成的基体中连接构筑形成三维网状结构，得到网状分布氮化钛陶瓷颗粒的铁基复合材料，从而发挥氮化钛颗粒增强体的强化作用，显著提高了铁基复合材料的强度和韧性；同时，在真空热压烧结的后期液相烧结凝固过程中，微米级氮化钛颗粒对碳化物相发挥异质形核作用，对其产生显著的细化作用，使其形貌由粗大的板条状变为颗粒状，极大地改善了铁基复合材料的强度和韧性等综合力学性能。
本发明步骤三中通过控制在铁基复合材料的固液两相区进行保温保压，有助于氮化钛粉末颗粒在液相中进一步分散，从而在凝固过程中对碳化物相起到异质形核的作用，使其依附氮化钛颗粒在晶界析出，并变为细小颗粒状；同时，在固液两相区保温保压的工艺有利于铁基复合材料进一步实现致密化，获得优良的综合力学性能。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述微米级氮化钛粉末的粒度为0.5μm~5μm，高铬铸铁合金粉末的粒度为10μm~150μm。本发明通过对高铬铸铁合金粉末和氮化钛粉末进行粒度调控，保证了高能球磨混合过程中微米级氮化钛粉末充分均匀地包覆在高铬铸铁合金粉末表面，有利于保证真空热压烧结过程中基体液相与氮化钛粉末颗粒之间的润湿性良好，且氮化钛粉末颗粒彼此连接形成网状构型，发挥协同强化的作用。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述高能球磨混合采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质的质量与微米级氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末的总质量之比为4~8:1。本发明通过调控高能球磨的研磨介质和球料比，以准确控制高能球磨过程中的能量输入，既保证了高能球磨均匀混合的效果，使得氮化钛粉末颗粒均匀包覆在高铬铸铁合金粉末表面，并避免发生冷焊现象，有助于后续液相烧结工艺的顺利进行。
本发明中高铬铸铁合金粉由以下质量百分比的成分组成：C 2%~4%，Cr 23%~30%，Si 1%~3%，Ni 0.5%~2%，Mn 1%~1.5%，Mo 0.5%~1%，余量为Fe及不可避免的杂质。该高铬铸铁合金粉的成分为当前广泛使用的耐磨合金体系，通过改善其强度和硬度，对工业化生产具有良好的指导作用。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的铁基复合材料中呈网状构型分布的增强体微米级氮化钛颗粒包裹高铬铸铁合金基体组织，从而有效发挥增强体的强化作用，显著提高了铁基复合材料的硬度和抗弯强度，有利于实现铁基复合材料的强韧性匹配，同时晶界碳化物被显著细化，进一步改善了铁基复合材料的硬度和韧性。
2、本发明采用粉末冶金法将氮化钛颗粒包覆在高铬铸铁合金粉末表面，结合真空热压烧结，使得氮化钛颗粒增强体在高铬铸铁合金基体中构筑形成三维网状结构，有效发挥增强体的强化作用，显著提高了铁基复合材料的强度和韧性，获得网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料。
3、本发明采用真空热压烧结，使得微米级氮化钛颗粒对碳化物相发挥异质形核作用，显著细化碳化物并改善其组织形貌，进一步提高了铁基复合材料的强度和韧性。
4、本发明的制备工艺简单易行，制备成本降低，且铁基复合材料性能稳定，具有更高的应用推广价值。
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为本发明实施例1中高铬铸铁合金粉末的形貌图。
图2为本发明实施例1中氮化钛粉末的形貌图。
图3为本发明实施例1中复合粉末的形貌图。
图4为本发明实施例1中铁基复合材料的显微组织图。
图5为本发明实施例1中铁基复合材料的X射线衍射图谱。
图6a为本发明实施例1中铁基复合材料中网状分布的氮化钛颗粒形貌图。
图6b为图6a中A处的EDS分析结果图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料以高铬铸铁合金为基体，基体中分布着微米级网状构型的氮化钛颗粒，且晶界碳化物由板条状被显著细化为颗粒状，其中，氮化钛颗粒的质量百分含量为20%，粒度为2μm，高铬铸铁合金的质量百分含量为80%。
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料制备方法包括以下步骤：
步骤一、准备36g粒度为2μm的氮化钛粉末和144g粒度为30μm的高铬铸铁合金粉末作为原料；
步骤二、将步骤一中准备的氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末搅拌均匀，然后置于行星式球磨机中在真空条件下进行高能球磨混合，得到复合粉末；所述高能球磨混合的转速为300rpm，时间为4h，采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质的质量与氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末的总质量之比为5:1；
步骤三、将步骤二中得到的复合粉末装填在石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，得到网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料；所述真空热压烧结的过程为：先从室温升温至1350℃保温1.5h，然后降温至900℃并施加30MPa的压力保温保压30min。
经检测，本实施例网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料的硬度为67.5HRC，三点弯曲强度为461MPa，断裂韧性为5.4MPa•m1/2。
图1为本实施例中高铬铸铁合金粉末的形貌图，从图1可以看出，该合金粉的形貌为近球形，平均粒度为30μm。
图2为本实施例中氮化钛粉末的形貌图，从图2可以看出，该氮化钛粉末的形貌为不规则颗粒状，且粒度为2μm。
图3为本实施例中复合粉末的形貌图，从图3可以看出，经高能球磨后，球形高铬铸铁合金粉末表面紧密包裹着氮化钛颗粒，有助于其三维网状构型的构筑。
图4为本实施例中铁基复合材料的显微组织图，从图4可以看出，该铁基复合材料中的颗粒状氮化钛增强体与碳化物相互连接，呈网络状分布于晶界上。
图5为本实施例中铁基复合材料的X射线衍射图谱，从图5可以看出，该铁基复合材料中除基体γ-Fe相外，还存在氮化钛相TiN和两种碳化物相Cr7C3和Cr23C6。
图6a为本实施例中铁基复合材料中网状分布的氮化钛颗粒形貌图，图6b为图6a中A处的EDS分析结果图，从图6a和图6b可以看出，铁基复合材料中氮化钛颗粒紧密连接形成网状，碳化物相被其细化为颗粒状。
实施例2
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料以高铬铸铁合金为基体，基体中分布着微米级网状构型的氮化钛颗粒，且晶界碳化物由板条状被显著细化为颗粒状，其中，氮化钛颗粒的质量百分含量为10%，粒度为0.5μm，高铬铸铁合金的质量百分含量为90%。
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料制备方法包括以下步骤：
步骤一、准备18g粒度为0.5μm的氮化钛粉末和162g粒度为80μm的高铬铸铁合金粉末作为原料；
步骤二、将步骤一中准备的氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末搅拌均匀，然后置于行星式球磨机中在真空条件下进行高能球磨混合，得到复合粉末；所述高能球磨混合的转速为200rpm，时间为6h，采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质的质量与氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末的总质量之比为8:1；
步骤三、将步骤二中得到的复合粉末装填在石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，得到网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料；所述真空热压烧结的过程为：先从室温升温至1250℃保温4h，然后降温至800℃并施加80MPa的压力保温保压60min。
经检测，本实施例网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料的硬度为64.0HRC，三点弯曲强度为700MPa，断裂韧性为7.2MPa•m1/2。
实施例3
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料以高铬铸铁合金为基体，基体中分布着微米级网状构型的氮化钛颗粒，且晶界碳化物由板条状被显著细化为颗粒状，其中，氮化钛颗粒的质量百分含量为50%，粒度为2μm，高铬铸铁合金的质量百分含量为50%。
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料制备方法包括以下步骤：
步骤一、准备90g粒度为2μm的氮化钛粉末和90g粒度为150μm的高铬铸铁合金粉末作为原料；
步骤二、将步骤一中准备的氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末搅拌均匀，然后置于行星式球磨机中在真空条件下进行高能球磨混合，得到复合粉末；所述高能球磨混合的转速为600rpm，时间为8h，采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质的质量与氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末的总质量之比为5:1；
步骤三、将步骤二中得到的复合粉末装填在石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，得到网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料；所述真空热压烧结的过程为：先从室温升温至1450℃保温1.5h，然后降温至950℃并施加40MPa的压力保温保压90min。
经检测，本实施例网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料的硬度为69.5HRC，三点弯曲强度为301MPa，断裂韧性为3.5MPa•m1/2。
实施例4
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料以高铬铸铁合金为基体，基体中分布着微米级网状构型的氮化钛颗粒，且晶界碳化物由板条状被显著细化为颗粒状，其中，氮化钛颗粒的质量百分含量为30%，粒度为5μm，高铬铸铁合金的质量百分含量为70%。
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料制备方法包括以下步骤：
步骤一、准备54g粒度为5μm的氮化钛粉末和126g粒度为50μm的高铬铸铁合金粉末作为原料；
步骤二、将步骤一中准备的氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末搅拌均匀，然后置于行星式球磨机中在真空条件下进行高能球磨混合，得到复合粉末；所述高能球磨混合的转速为300rpm，时间为4h，采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质的质量与氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末的总质量之比为6:1；
步骤三、将步骤二中得到的复合粉末装填在石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，得到网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料；所述真空热压烧结的过程为：先从室温升温至1400℃保温2h，然后降温至1100℃并施加20MPa的压力保温保压60min。
经检测，本实施例网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料的硬度为66.4HRC，三点弯曲强度为536MPa，断裂韧性为6.3MPa•m1/2。
实施例5
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料以高铬铸铁合金为基体，基体中分布着微米级网状构型的氮化钛颗粒，且晶界碳化物由板条状被显著细化为颗粒状，其中，氮化钛颗粒的质量百分含量为40%，粒度为1μm，高铬铸铁合金的质量百分含量为60%。
本实施例的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料制备方法包括以下步骤：
步骤一、准备72g粒度为2μm的氮化钛粉末和108g粒度为10μm的高铬铸铁合金粉末作为原料；
步骤二、将步骤一中准备的氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末搅拌均匀，然后置于行星式球磨机中在真空条件下进行高能球磨混合，得到复合粉末；所述高能球磨混合的转速为450rpm，时间为6h，采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质的质量与氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末的总质量之比为5:1；
步骤三、将步骤二中得到的复合粉末装填在石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，得到网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料；所述真空热压烧结的过程为：先从室温升温至1600℃保温0.5h，然后降温至900℃并施加35MPa的压力保温保压120min。
经检测，本实施例网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料的硬度为65.7HRC，三点弯曲强度为478MPa，断裂韧性为4.9MPa•m1/2。
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 (3)

1.网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料，其特征在于，以高铬铸铁合金为基体，基体中分布着微米级网状构型的氮化钛颗粒，且晶界碳化物由板条状被显著细化为颗粒状，其中，氮化钛颗粒的质量百分含量为10%~50%，粒度为0.5μm~5μm；所述网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料的硬度为64HRC~70HRC，抗弯强度为300MPa~700MPa，断裂韧性为3.5MPa•m1/2~7.2MPa•m1/2；所述网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料由包括以下步骤的方法制备得到：
步骤一、准备微米级氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末作为原料；
步骤二、将步骤一中准备的微米级氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末搅拌均匀，然后置于行星式球磨机中在真空条件下进行高能球磨混合，得到复合粉末；所述高能球磨混合的转速为200rpm~600rpm，时间为4h~8h；
步骤三、将步骤二中得到的复合粉末装填在石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，得到网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料；所述真空热压烧结的过程为：先从室温升温至1250℃~1600℃保温0.5h~4h，然后降温至800℃~1100℃并施加20MPa~80MPa的压力保温保压30min~120min。
2.根据权利要求1所述的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料，其特征在于，步骤一中所述微米级氮化钛粉末的粒度为0.5μm~5μm，高铬铸铁合金粉末的粒度为10μm~150μm。
3.根据权利要求1所述的网状分布陶瓷颗粒增强增韧的铁基复合材料，其特征在于，步骤二中所述高能球磨混合采用的研磨介质为不锈钢球，且研磨介质的质量与微米级氮化钛粉末和高铬铸铁合金粉末的总质量之比为4~8:1。
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