CN105671411A - 一种碳化物增强铁基复合材料及其粉末冶金原位合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化物增强铁基复合材料及其粉末冶金原位合成方法，所述碳化物为碳和其他金属元素形成的化合物，作为增强相在铁基材料中原位形成。制备碳化物增强铁基复合材料的初始原料为碳粉、铁粉和其他金属元素粉末，其特征在于，所述其他金属元素与碳元素在基体铁中的扩散速度具有数量级差异，在粉末冶金原位合成过程中对所述增强相的颗粒粒径和形貌进行调节控制。利用本发明能够有效调控碳化物的形貌及粒径，且工艺简单易控制。通过碳化物颗粒形貌及粒径的调控，可以得到增强相颗粒细小均匀且弥散分布的碳化物增强铁基复合材料，碳化物对铁基体的弥散强化作用能得到充分的发挥，使复合材料的强度和硬度得到大幅度提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化物增强铁基复合材料及其粉末冶金原位合成方法，属于粉末冶金原位合成技术领域。
背景技术
现代工业的高速发展迫切需要在高温、高速、耐磨等复杂服役条件下工作的工模具和结构件，例如高速轧机的轧环、导向轮的轧辊、热作模具等，现有的钢铁材料难以满足服役条件需要。颗粒增强钢铁基复合材料由于同时具有金属材料的优越韧性、冷热加工性、可焊性以及陶瓷颗粒的高强高硬，耐磨等性能，成为研究者研究开发的重要领域。硬质相颗粒可以是氧化物，氮化物以及碳化物，其中碳化钛，具有高强度、高模量、高熔点以及与铁基体良好润湿性等特点，是颗粒增强铁基复合材料比较理想的增强相。
粉末冶金原位反应制备是一种将粉末冶金与原位反应相结合的技术，兼具两种技术的优势。由于增强相颗粒是原位反应生成的，所得材料具有增强相/基体界面洁净、界面结合质量好、组织均匀性高等特点，此合成技术成为制备颗粒增强铁基复合材料较为理想的方法。到目前为止，对粉末冶金原位反应中增强相颗粒的形貌和粒径的形成及控制研究很少。事实上，颗粒相的本征性质、所占体积分数、分布、粒径以及形貌，均对复合材料力学性能具有关键性作用。尤其是增强相颗粒的粒径和形貌，除了可能受外部实验条件(如烧结温度、烧结时间等)的影响以外，原位反应中反应物的粒径和形貌会对其产生至关重要的影响。分布弥散、粒径细小、形貌接近球形的增强相颗粒，其弥散强化效果发挥极致，获得的复合材料的强度和硬度大大提高。
现有技术中，原位合成的碳化物颗粒增强铁基复合材料，增强相碳化物颗粒的粒径和形貌无法获得有效控制，获得的增强相碳化物颗粒没有规律性，有时可能产生核壳结构，有时可能粒径很大，如几十微米至数百微米不等，弥散强化效果不突出；有时可以获得稍微细小的增强相碳化钛颗粒，如30-50微米，但是颗粒形貌却不规则，分布也不均匀，弥散强化效果也不能很好的体现。为了获得更好的弥散强化效果，研究人员想要获得更加细小(平均粒径10微米以下)、形貌接近球形的增强相碳化物颗粒，也已试过多种方法，但效果都不太理想。
发明内容
本发明致力于解决上述技术问题，提供一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，使获得的碳化物增强铁基复合材料的增强相碳化物颗粒更加细小、形貌接近球形，弥散强化作用充分发挥。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，碳化物为增强相，所述碳化物包含碳和其他金属元素，制备碳化物增强铁基复合材料的初始原料为碳粉、铁粉和其他金属元素粉末，其特征在于，所述其他金属元素与碳元素在基体铁中的扩散速度具有数量级差异，在粉末冶金原位合成过程中对所述增强相的颗粒粒径和形貌进行调节控制。
进一步地，所述调节控制是指只针对所述其他金属元素粉末进行机械活化处理。
进一步地，所述机械活化处理是指在混料之前，对初始原料中的所述其他金属元素粉末进行球磨活化处理，以获得活化后的其他金属元素粉末。
进一步地，所述球磨活化处理包括参数：球料比为10∶1，其他金属元素粉末酒精比为2g∶1ml，球磨速度为250-300r/min，球磨时间为45-50h。
进一步地，包括如下步骤：
1)其他金属元素粉末的机械活化处理，获得活化后的其他金属元素粉末；
2)混料：将碳粉、铁粉和所述活化后的其他金属元素粉末作为复合材料的原始粉末，按碳化物质量百分含量为2-5％进行所述原始粉末配制，在球磨机中进行湿混混料，球料比为3∶1，原始粉末酒精比为2g∶1ml，转速为200-250r/min，混料时间为4-6h。
3)将由步骤2)获得的混合粉末在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80-100℃。
4)将由步骤3)获得的干燥粉末进行模压或冷等静压成形。
5)将由步骤4)压好的试样进行真空或热等静压(HIP)烧结原位反应，得到碳化物增强铁基复合材料复合材料。
进一步地，所述其他金属元素包括钛、铬、钒、铌、钨、锆或稀土元素中的一种或多种。
进一步地，调节控制后所述增强相碳化物颗粒平均粒径小于5μm，颗粒形貌为近似球形，在铁基体中分布弥散均匀。
本发明根据上述的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法制备的碳化物增强铁基复合材料，其特征在于：成分及各成分质量百分含量为，C：0.80～1.20％，所述其他金属元素：3.50～4.50％，余量为Fe。
本发明的根本依据是考虑到碳和其他金属元素在基体铁中扩散速度的巨大差异(比如，相同温度下碳与钛的扩散系数相差两个数量级)，增强相颗粒会对原料其他金属元素粉末的粒径和形貌表现出一定的组织遗传性，利用这种遗传性可以实现对碳化钛颗粒的粒径及形貌的调控。通过对原料中的其他金属元素粉末进行机械活化处理，即球磨处理，使原料中的其他金属元素粉末细化，且热稳定性更低，为后续的原位反应提供更好的活化性能，在原位反应过程中自发生长成粒径细小、近似球形的增强相颗粒，有效缓解应力集中，降低裂纹扩张的驱动力，从而在增加强度的同时最大限度地保证韧性，使碳化物颗粒的弥散强化效果充分发挥，碳化物增强铁基复合材料的强度和硬度都得到有效提高。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，工序简单容易控制，流程短，无需化学表面镀等繁杂、污染性高的常规化学处理工序，获得的增强相颗粒细小，形貌均匀、呈近似球形，弥散强化效果发挥充分，在确保足够韧性的前提下，大大提高了碳化物增强铁基复合材料的强度和硬度等力学性能。
附图说明
图1、图2分别为实例1、2调控前后((a)为调控前，(b)为调控后)复合材料微观形貌对比。
具体实施方式
实例1
取原料Ti粉、C粉和Fe粉，进行以下步骤：
1)Ti粉机械活化处理：按以下参数对原料钛粉进行球磨活化处理：球料比为10∶1，钛粉酒精比为2g∶1ml，球磨速度为250r/min，球磨时间为45h。
2)混料：将原料C粉、Fe粉和经过机械活化处理的Ti粉混合作为复合材料制备的原始粉末，按碳化钛质量百分含量为3％进行粉末配制，在行星球磨机中进行湿混混料，球料比为3∶1，原料酒精比为2g∶1ml，转速为200r/min，混料时间为4h。
3)将步骤2)的混料在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃。
4)将步骤3)干燥好的粉末进行模压成形，压制压力为100MPa。
5)将步骤4)压好的试样进行真空烧结原位反应，升温速度为10℃/min，烧结温度为1400～1500℃，保温时间为2h，随炉冷却得到真空烧结原位反应的Fe(TiC)p复合材料。
表1实例1调控前后复合材料性能对比
实例2
取原料Ti粉、C粉和Fe粉，进行以下步骤：
1)Ti粉机械活化处理：按以下参数对原料钛粉进行球磨活化处理：球料比为10∶1，钛粉酒精比为2g∶1ml，球磨速度为300r/min，球磨时间为50h。
2)混料：将原料C粉、Fe粉和经过机械活化处理的Ti粉混合作为复合材料制备的原始粉末，按碳化钛质量百分含量为5％进行粉末配制，在行星球磨机中进行湿混混料，球料比为3∶1，原料酒精比为2g∶1ml，转速为250r/min，混料时间为6h。
3)将步骤2)的混料在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃。
4)将步骤3)干燥好的粉末进行冷等静压成形，压制压力为200MPa。
5)将步骤4)压好的试样进行热等静压(HIP)烧结原位反应，升温速度为10℃/min，烧结温度为1200～1300℃，保温时间为4h，随炉冷却得到热等静压(HIP)烧结原位反应的Fe(TiC)复合材料。
表2实例2调控前后复合材料性能对比
实例3
取原料W粉、C粉和Fe粉，进行以下步骤：
1)W粉机械活化处理：按以下参数对原料W粉进行球磨活化处理：球料比为10∶1，W粉酒精比为2g∶1ml，球磨速度为300r/min，球磨时间为50h。
2)混料：将原料C粉、Fe粉和经过机械活化处理的W粉混合作为复合材料制备的原始粉末，按碳化钨质量百分含量为4％进行粉末配制，在行星球磨机中进行湿混混料，球料比为3∶1，原料酒精比为2g∶1ml，转速为250r/min，混料时间为6h。
3)将步骤2)的混料在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为100℃。
4)将步骤3)干燥好的粉末进行冷等静压成形，压制压力为200MPa。
5)将步骤4)压好的试样进行热等静压(HIP)烧结原位反应，升温速度为10℃/min，烧结温度为1200～1300℃，保温时间为5h，随炉冷却得到热等静压(HIP)烧结原位反应的碳化钨增强铁基复合材料。
Claims (8)
1.一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，碳化物为增强相，所述碳化物包含碳和其他金属元素，制备碳化物增强铁基复合材料的初始原料为碳粉、铁粉和其他金属元素粉末，其特征在于，所述其他金属元素与碳元素在基体铁中的扩散速度具有数量级差异，在粉末冶金原位合成过程中对所述增强相的颗粒粒径和形貌进行调节控制。
2.根据权利要求1所述的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，其特征在于：所述调节控制是指只针对所述其他金属元素粉末进行机械活化处理。
3.根据权利要求2所述的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，其特征在于：所述机械活化处理是指在混料之前，对初始原料中的所述其他金属元素粉末进行球磨处理，以获得活化后的其他金属元素粉末。
4.根据权利要求3所述的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，其特征在于：所述球磨活化处理包括参数为球料比为10∶1，其他金属元素粉末酒精比为2g∶1ml，球磨速度为250-300r/min，球磨时间为45-50h。
5.根据权利要求4所述的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)其他金属元素粉末的机械活化处理，获得活化后的其他金属元素粉末；
2)混料：将碳粉、铁粉和所述活化后的其他金属元素粉末作为复合材料的原始粉末，按碳化物质量百分含量为2-5％进行所述原始粉末配制，在球磨机中进行湿混混料，球料比为3∶1，原始粉末酒精比为2g∶1ml，转速为200-250r/min，混料时间为4-6h。
3)将由步骤2)获得的混合粉末在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80-100℃。
4)将由步骤3)获得的干燥粉末进行模压或冷等静压成形。
5)将由步骤4)压好的试样进行真空或热等静压(HIP)烧结原位反应，得到碳化物增强铁基复合材料。
6.根据权利要求4所述的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，其特征在于，所述其他金属元素包括钛、铬、钒、铌、钨、锆或稀土元素中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法，其特征在于，调节控制后所述增强相碳化物颗粒粒径小于5μm，颗粒形貌为近似球形。
8.根据权利要求4所述的一种碳化物增强铁基复合材料的粉末冶金原位合成方法制备的碳化物增强铁基复合材料，其特征在于：成分及各成分质量百分含量为，C：0.80～1.20％，所述其他金属元素：3.50～4.50％，余量为Fe。
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