一種碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料及其粉末冶金原位合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料及其粉末冶金原位合成方法，屬于粉末 冶金原位合成技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展迫切需要在高溫、高速、耐磨等復(fù)雜服役條件下工作的工模 具和結(jié)構(gòu)件，例如高速社機(jī)的社環(huán)、導(dǎo)向輪的社漉、熱作模具等，現(xiàn)有的鋼鐵材料難W滿足 服役條件需要。顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料由于同時(shí)具有金屬材料的優(yōu)越初性、冷熱加工性、 可焊性W及陶瓷顆粒的高強(qiáng)高硬，耐磨等性能，成為研究者研究開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域。硬質(zhì)相顆 ?？蒞是氧化物，氮化物W及碳化物，其中碳化鐵，具有高強(qiáng)度、高模量、高烙點(diǎn)W及與鐵基 體良好潤(rùn)濕性等特點(diǎn)，是顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料比較理想的增強(qiáng)相。
[0003] 粉末冶金原位反應(yīng)制備是一種將粉末冶金與原位反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)，兼具兩種技 術(shù)的優(yōu)勢(shì)。由于增強(qiáng)相顆粒是原位反應(yīng)生成的，所得材料具有增強(qiáng)相/基體界面潔凈、界面 結(jié)合質(zhì)量好、組織均勻性高等特點(diǎn)，此合成技術(shù)成為制備顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料較為理想 的方法。到目前為止，對(duì)粉末冶金原位反應(yīng)中增強(qiáng)相顆粒的形貌和粒徑的形成及控制研究 很少。事實(shí)上，顆粒相的本征性質(zhì)、所占體積分?jǐn)?shù)、分布、粒徑W及形貌，均對(duì)復(fù)合材料力學(xué) 性能具有關(guān)鍵性作用。尤其是增強(qiáng)相顆粒的粒徑和形貌，除了可能受外部實(shí)驗(yàn)條件(如燒結(jié) 溫度、燒結(jié)時(shí)間等)的影響W外，原位反應(yīng)中反應(yīng)物的粒徑和形貌會(huì)對(duì)其產(chǎn)生至關(guān)重要的影 響。分布彌散、粒徑細(xì)小、形貌接近球形的增強(qiáng)相顆粒，其彌散強(qiáng)化效果發(fā)揮極致，獲得的復(fù) 合材料的強(qiáng)度和硬度大大提高。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，原位合成的碳化物顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，增強(qiáng)相碳化物顆粒的粒 徑和形貌無(wú)法獲得有效控制，獲得的增強(qiáng)相碳化物顆粒沒(méi)有規(guī)律性，有時(shí)可能產(chǎn)生核殼結(jié) 構(gòu)，有時(shí)可能粒徑很大，如幾十微米至數(shù)百微米不等，彌散強(qiáng)化效果不突出；有時(shí)可W獲得 稍微細(xì)小的增強(qiáng)相碳化鐵顆粒，如30-50微米，但是顆粒形貌卻不規(guī)則，分布也不均勻，彌散 強(qiáng)化效果也不能很好的體現(xiàn)。為了獲得更好的彌散強(qiáng)化效果，研究人員想要獲得更加細(xì)小 (平均粒徑10微米W下）、形貌接近球形的增強(qiáng)相碳化物顆粒，也已試過(guò)多種方法，但效果都 不太理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明致力于解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的粉末冶金 原位合成方法，使獲得的碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的增強(qiáng)相碳化物顆粒更加細(xì)小、形貌接 近球形，彌散強(qiáng)化作用充分發(fā)揮。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0007] -種碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的粉末冶金原位合成方法，碳化物為增強(qiáng)相，所述 碳化物包含碳和其他金屬元素，制備碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的初始原料為碳粉、鐵粉和 其他金屬元素粉末，其特征在于，所述其他金屬元素與碳元素在基體鐵中的擴(kuò)散速度具有 數(shù)量級(jí)差異，在粉末冶金原位合成過(guò)程中對(duì)所述增強(qiáng)相的顆粒粒徑和形貌進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
[0008] 進(jìn)一步地，所述調(diào)節(jié)控制是指只針對(duì)所述其他金屬元素粉末進(jìn)行機(jī)械活化處理。
[0009] 進(jìn)一步地，所述機(jī)械活化處理是指在混料之前，對(duì)初始原料中的所述其他金屬元 素粉末進(jìn)行球磨活化處理，W獲得活化后的其他金屬元素粉末。
[0010] 進(jìn)一步地，所述球磨活化處理包括參數(shù):球料比為10:1，其他金屬元素粉末酒精比 為2g: 1ml，球磨速度為250-300r/min，球磨時(shí)間為45-50h。
[ΟΟ?] 進(jìn)一步地，包括如下步驟；
[0012] 1)其他金屬元素粉末的機(jī)械活化處理，獲得活化后的其他金屬元素粉末；
[0013] 2)混料:將碳粉、鐵粉和所述活化后的其他金屬元素粉末作為復(fù)合材料的原始粉 末，按碳化物質(zhì)量百分含量為2-5%進(jìn)行所述原始粉末配制，在球磨機(jī)中進(jìn)行濕混混料，球 料比為3:1，原始粉末酒精比為2g: 1ml，轉(zhuǎn)速為200-25化/min,混料時(shí)間為4-化。
[0014] 3)將由步驟2)獲得的混合粉末在真空干燥箱中進(jìn)行干燥，干燥溫度為80-100°C。
[0015] 4)將由步驟3)獲得的干燥粉末進(jìn)行模壓或冷等靜壓成形。
[0016] 5)將由步驟4)壓好的試樣進(jìn)行真空或熱等靜壓化IP)燒結(jié)原位反應(yīng)，得到碳化物 增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料復(fù)合材料。
[0017] 進(jìn)一步地，所述其他金屬元素包括鐵、銘、饑、妮、鶴、錯(cuò)或稀±元素中的一種或多 種。
[0018] 進(jìn)一步地，調(diào)節(jié)控制后所述增強(qiáng)相碳化物顆粒平均粒徑小于扣m，顆粒形貌為近似 球形，在鐵基體中分布彌散均勻。
[0019] 本發(fā)明根據(jù)上述的一種碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的粉末冶金原位合成方法制備 的碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，其特征在于：成分及各成分質(zhì)量百分含量為，C: 0.80~ 1.20 %，所述其他金屬元素:3.50~4.50 %，余量為化。
[0020] 本發(fā)明的根本依據(jù)是考慮到碳和其他金屬元素在基體鐵中擴(kuò)散速度的巨大差異 (比如，相同溫度下碳與鐵的擴(kuò)散系數(shù)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)），增強(qiáng)相顆粒會(huì)對(duì)原料其他金屬元 素粉末的粒徑和形貌表現(xiàn)出一定的組織遺傳性，利用運(yùn)種遺傳性可W實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化鐵顆粒的 粒徑及形貌的調(diào)控。通過(guò)對(duì)原料中的其他金屬元素粉末進(jìn)行機(jī)械活化處理，即球磨處理，使 原料中的其他金屬元素粉末細(xì)化，且熱穩(wěn)定性更低，為后續(xù)的原位反應(yīng)提供更好的活化性 能，在原位反應(yīng)過(guò)程中自發(fā)生長(zhǎng)成粒徑細(xì)小、近似球形的增強(qiáng)相顆粒，有效緩解應(yīng)力集中， 降低裂紋擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)力，從而在增加強(qiáng)度的同時(shí)最大限度地保證初性，使碳化物顆粒的彌 散強(qiáng)化效果充分發(fā)揮，碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度都得到有效提高。
[0021] 本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供的一種碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的粉末冶金原 位合成方法，工序簡(jiǎn)單容易控制，流程短，無(wú)需化學(xué)表面鍛等繁雜、污染性高的常規(guī)化學(xué)處 理工序，獲得的增強(qiáng)相顆粒細(xì)小，形貌均勻、呈近似球形，彌散強(qiáng)化效果發(fā)揮充分，在確保足 夠初性的前提下，大大提高了碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1、圖2分別為實(shí)例1、2調(diào)控前后（（a)為調(diào)控前，（b)為調(diào)控后)復(fù)合材料微觀形貌 對(duì)比。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 實(shí)例 1
[0024] 取原料Ti粉、C粉和化粉，進(jìn)行W下步驟：
[0025] 1 )Ti粉機(jī)械活化處理:按W下參數(shù)對(duì)原料鐵粉進(jìn)行球磨活化處理:球料比為10:1， 鐵粉酒精比為2g: 1ml，球磨速度為25化/min,球磨時(shí)間為45h。
[0026] 2)混料:將原料C粉、Fe粉和經(jīng)過(guò)機(jī)械活化處理的Ti粉混合作