專利名稱：一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鐵基復合材料及其制備方法，具體而言為涉及一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法。
背景技術：
通過在鐵基材料中添加高強度、高硬度的陶瓷增強顆粒，可以獲得鐵基復合材料， 有效提聞了鐵基材料的強度，在耐熱、耐磨等服役條件下得到了廣泛的應用。鐵基復合材料根據(jù)顆粒增強體的來源可以分為外加顆粒增強鐵基復合材料和原位顆粒增強鐵基復合材料。由于原位生成的增強顆粒往往是通過化學反應從金屬基體中直接生成的熱力學穩(wěn)定相，因此增強顆粒與鐵基體之間界面結合好、界面上沒有脆性析出相，有利于提高材料的綜合性能。另外，原位復合方法節(jié)省了單獨合成、加工、加入和分散增強體的工序，簡化了工藝，減少了設備，降低成本；利用液態(tài)原位反應合成工藝，可制造形狀復雜的零件。用于制備鐵基復合材料的原位合成技術主要有反應熔鑄法、燃燒合成法、機械合金化法、碳熱/鋁熱還原法等。反應熔鑄法(Reaction Casting,RC)是一種將增強顆粒的原位反應合成同傳統(tǒng)的鑄造成形過程結合起來的工藝。其基本原理是在一定成分的液態(tài)合金中，利用合金液的高溫，使合金液中的合金元素之間或合金元素與化合物之間發(fā)生充分的化學反應，生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強顆粒，然后通過鑄造成形即獲得了由原位顆粒增強的金屬基復合材料。采用該工藝反應界面不受污染，界面結合較好; 增強相在反應過程中獲得，避免了單獨生產(chǎn)增強相的工藝步驟，工藝簡化；可由直接鑄造獲得近終形的產(chǎn)品，便于制造結構復雜的部件。但是，由于鐵基材料成型溫度往往較高，原位化學反應不太容易控制，復合材料制備過程中工藝操作比較困難，因此采用原位復合方法制備鐵基復合材料還沒有工業(yè)應用的相關報道。在鐵基復合材料中，最常用的陶瓷增強材料是A1203、SiC和TiC。其中，Al2O3陶瓷與Fe熔液的潤濕性差，無界面反應；SiC陶瓷材料與Fe熔液在高溫下產(chǎn)生劇烈的化學反應，生成脆性相鐵硅化合物和片狀石墨組織存在于界面之間，惡化陶瓷金屬界面；TiC陶瓷與Fe熔液之間的潤濕性較好，兩者之間無界面反應。采用反應熔鑄法已經(jīng)成功制備了 TiCp/Fe復合材料,但是還存在不足之處。首先，要想熔體獲得良好的流動性，Ti和C的最大含量要分別低于8% 10%和3°/Γ4%，因此該方法適用于制備TiC含量較低的鐵基復合材料。其次，反應熔鑄法反應溫度高，需要達 155(Tl600°C，對于以高強度球墨鑄鐵為基體的材料不太合適。另外，制備的TiCp/Fe復合材料還存在TiC分布不均勻的問題。采用燃燒合成法直接制備的金屬/陶瓷復合材料難以致密化，盡管有液相存在，孔隙率仍高達7% 13% ;機械合金化制備出的復合材料TiC彌散析出，但穩(wěn)定性還不夠好，其制備工藝復雜，難以獲得比較復雜的零件。隨著科技水平的提高，對結構材料的要求也越來越高，在不少結構件上都提出了高強高韌的要求，即要求材料具有很高強度的條件下具有很好的韌性。傳統(tǒng)的材料，如鋼鐵材料、球墨鑄鐵等，雖然能在一定程度上滿足要求，但是當強度和韌性指標都非常高時往往難以滿足要求。研究表明，TiC顆粒分布越彌散且尺寸越小，在拉伸過程中就不會出現(xiàn)應力集中，從而使它的強度提高且塑性也得到一定的提高。而當TiC顆粒分布彌散度不高或甚至出現(xiàn)團聚，則會導致顯微組織中局部區(qū)域內的嚴重微觀應變，從而在拉伸過程中降低強度和塑性。因此，迫切需要提出一種新型材料，通過原位方法獲得細小均勻的增強顆粒并使其在鐵基材料上均勻分布，從而保證材料具有很高的強度，同時通過熱處理獲得強度和韌性有機結合的基體。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法，其原理是采用機械合金化方法將鐵粉、鈦粉和碳粉充分混合形成復合粉，并在球墨鑄鐵二次孕育過程中加入到鐵水中，通過鐵水的加熱作用使復合粉熔化分散到鐵水中，在隨后的降溫冷卻過程中析出彌散分布的亞微米原位碳化鈦顆粒，再通過等溫淬火熱處理獲得高強高韌基體， 與原位碳化鈦顆粒復合獲得更高的強度，從而獲得新型鐵基復合材料。一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料，其特征在于以高強韌球墨鑄鐵為基體， 以原位生成的亞微米碳化鈦顆粒為增強顆粒，且碳化鈦顆粒在球墨鑄鐵基體上均勻分布， 這樣獲得的高強高韌鐵基復合材料。一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料制備方法，其特征在于采用機械合金化方法，將鐵粉、鈦粉和碳粉充分混合形成復合粉，采用常規(guī)方法熔化和處理球墨鑄鐵，并在二次孕育過程中將復合粉按比例加入到鐵水中，保溫^lOmin，隨即澆注獲得鑄態(tài)復合材料，再對鑄態(tài)復合材料進行等溫淬火熱處理，從而獲得鐵基復合材料。所涉及的高強韌球墨鑄鐵，是指通過等溫淬火處理獲得的球墨鑄鐵，其抗拉強度不低于lOOOMPa，伸長率不低于10%，沖擊韌性不低于120J。所涉及的原位碳化鈦顆粒，是指在球墨鑄鐵基體上原位析出的平均尺寸在200nm 以下的碳化鈦顆粒，其體積分數(shù)為O. 5^3. 0%。所涉及的將鐵粉、鈦粉和碳粉充分混合形成復合粉，是指采用高能球磨方法，將鐵粉鈦粉碳粉質量比為5 7:2 4:1的粉體放入球磨機,在中性或者還原性氣氛下研磨，時間為6 IOh。所涉及的在二次孕育過程中將復合粉按比例加入到鐵水中，是指根據(jù)實際生產(chǎn)對 TiC顆粒體積分數(shù)的要求，在球墨鑄鐵二次孕育過程中隨孕育劑加入質量分數(shù)為球墨鑄鐵 I. 09Γ6. 0%的鐵鈦碳復合粉。所涉及的等溫淬火熱處理，是指通過奧氏體化獲得均勻細小的奧氏體組織，然后通過38(T40(TC等溫淬火6(Γ120分鐘，獲得奧氏體-貝氏體混合組織。本發(fā)明提出的原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法，通過預先機械合金化的方法，實現(xiàn)了鐵、鈦和碳的復合，通過熔化-析出形成尺寸細小的碳化鈦顆粒，避免了大尺寸碳化鈦顆粒的形成；同時，鐵、鈦和碳的復合粉在球墨鑄鐵二次孕育過程中加入到鐵水中，工藝實現(xiàn)容易，且保證了鈦、碳元素在鐵水中的均勻分散，從而提高了后續(xù)析出的碳化鈦顆粒分布的均勻性。


圖I為原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料的掃描電鏡照片。
具體實施例本發(fā)明可以根據(jù)以下實例實施，但不限于以下實例。在本發(fā)明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義。應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規(guī)方法。實施例I
要制備體積分數(shù)為O. 5%的碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料。采用機械合金化方法，將鐵粉、鈦粉和碳粉比例為7:2:1的粉體放入球蘑機，在中性或者還原性氣氛下研磨，時間為 6h，充分混合形成復合粉，采用常規(guī)方法熔化和處理球墨鑄鐵，在球墨鑄鐵二次孕育過程中隨孕育劑加入質量分數(shù)占球墨鑄鐵I. 5%的鐵鈦碳復合粉，保溫5min，隨即澆注獲得鑄態(tài)復合材料，然后對鑄態(tài)復合材料奧氏體化并在380°C的溫度下等溫淬火熱處理120分鐘。圖I為原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料的掃描電鏡照片。從圖中可以看出，所獲得的TiC顆粒平均尺寸約為200nm，且在基體上分布均勻。該鐵基復合材料的力學性能為抗拉強度1120MPa，伸長率13%，沖擊韌性140J。實施例2
要制備體積分數(shù)為3%的碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料。采用機械合金化方法，將鐵粉、鈦粉和碳粉比例為5:4: I的粉體放入球蘑機，在中性或者還原性氣氛下研磨，時間為 IOh,充分混合形成復合粉，采用常規(guī)方法熔化和處理球墨鑄鐵，在球墨鑄鐵二次孕育過程中隨孕育劑加入質量分數(shù)占球墨鑄鐵6. 0%的鐵鈦碳復合粉，保溫lOmin，隨即澆注獲得鑄態(tài)復合材料，然后對鑄態(tài)復合材料進行與實施例I相同的工藝步驟等溫淬火熱處理。所制備的TiC顆粒增強鐵基復合材料中增強顆粒平均尺寸約為80nm，且在基體上分布均勻，復合材料的力學性能為抗拉強度1250MPa，伸長率10%，沖擊韌性150J。實施例3
要制備體積分數(shù)為I. 5%的碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料。采用機械合金化方法，將鐵粉、鈦粉和碳粉比例為6:3:1的粉體放入球蘑機，在中性或者還原性氣氛下研磨，時間為 8h，充分混合形成復合粉，采用常規(guī)方法熔化和處理球墨鑄鐵，在球墨鑄鐵二次孕育過程中隨孕育劑加入質量分數(shù)為球墨鑄鐵3. 5%的鐵鈦碳復合粉，保溫8min，隨即澆注獲得鑄態(tài)復合材料，然后對鑄態(tài)復合材料進行奧氏體化并在400°C等溫淬火熱處理60分鐘。所制備的 TiC顆粒增強鐵基復合材料中增強顆粒平均尺寸約為lOOnm，且在基體上分布均勻，復合材料的力學性能為抗拉強度1200MPa，伸長率11%，沖擊韌性135J。實施例4
要制備體積分數(shù)為2%的碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料。采用機械合金化方法，將鐵粉、鈦粉和碳粉比例為5. 5:3. 5:1的粉體放入球蘑機，在中性或者還原性氣氛下研磨，時間為6h，充分混合形成復合粉，采用常規(guī)方法熔化和處理球墨鑄鐵，在球墨鑄鐵二次孕育過程中隨孕育劑加入質量分數(shù)為球墨鑄鐵4. 5%的鐵鈦碳復合粉，保溫lOmin，隨即澆注獲得鑄態(tài)復合材料，然后對鑄態(tài)復合材料進行奧氏體化并在390°C等溫淬火熱處理100分鐘。所制備的TiC顆粒增強鐵基復合材料中增強顆粒平均尺寸約為90nm，且在基體上分布均勻，復合材料的力學性能為抗拉強度1180MPa，伸長率10%，沖擊韌性135J。 實施例5
要制備體積分數(shù)為1%的碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料。采用機械合金化方法，將鐵粉、鈦粉和碳粉比例為6. 5:2. 5:1的粉體放入球蘑機，在中性或者還原性氣氛下研磨，時間為6h，充分混合形成復合粉，采用常規(guī)方法熔化和處理球墨鑄鐵，在球墨鑄鐵二次孕育過程中隨孕育劑加入質量分數(shù)為球墨鑄鐵2. 5%的鐵鈦碳復合粉，保溫8min，隨即澆注獲得鑄態(tài)復合材料，然后對鑄態(tài)復合材料進行奧氏體化并在390°C等溫淬火熱處理90分鐘。所制備的TiC顆粒增強鐵基復合材料中增強顆粒平均尺寸約為120nm，且在基體上分布均勻，復合材料的力學性能為抗拉強度1150MPa，伸長率12%，沖擊韌性140J。
權利要求
1.一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料，其特征在于以高強韌球墨鑄鐵為基體， 以原位生成的亞微米碳化鈦顆粒為增強顆粒，且碳化鈦顆粒在球墨鑄鐵基體中均勻分布， 這樣獲得的高強高韌鐵基復合材料。
2.一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料制備方法，采用機械合金化方法，將鐵粉、鈦粉和碳粉充分混合形成復合粉，采用常規(guī)方法熔化和處理球墨鑄鐵，其特征在于在二次孕育過程中將復合粉按比例加入到鐵水中，保溫^lOmin，隨即澆注獲得鑄態(tài)復合材料，再對鑄態(tài)復合材料進行等溫淬火熱處理，得鐵基復合材料。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料，其特征在于所述高強韌球墨鑄鐵，是指通過等溫淬火處理獲得的球墨鑄鐵，其抗拉強度不低于lOOOMPa，伸長率不低于10%，沖擊韌性不低于120J。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料，其特征在于所述原位生成的亞微米碳化鈦顆粒，是指在球墨鑄鐵基體上原位析出的平均尺寸在200nm以下的碳化鈦顆粒，其體積分數(shù)為O. 5^3. 0%。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料，其特征在于所述復合粉是指采用高能球磨方法，將鐵粉鈦粉碳粉質量比為5 7:2 4:1的粉體放入球磨機，在中性或者還原性氣氛下研磨，時間為6 10h。
6.根據(jù)權利要求2所述的一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料制備方法，其特征在于所述在二次孕育過程中將復合粉按比例加入到鐵水中，是指根據(jù)實際生產(chǎn)對TiC 顆粒體積分數(shù)的要求，在球墨鑄鐵二次孕育過程中隨孕育劑加入質量分數(shù)為球墨鑄鐵I.09Γ6. 0%的鐵鈦碳復合粉。
7.根據(jù)權利要求2所述的一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料制備方法，其特征在于所述等溫淬火熱處理，是指通過奧氏體化獲得均勻細小的奧氏體組織，然后通過 38(T400°C等溫淬火6(Γ120分鐘，獲得奧氏體-貝氏體混合組織。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原位碳化鈦顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法，其特征在于以高強韌球墨鑄鐵為基體，以原位生成的亞微米碳化鈦顆粒為增強顆粒，且碳化鈦顆粒在球墨鑄鐵基體上均勻分布，獲得高強高韌鐵基復合材料；采用機械合金化方法，將鐵粉、鈦粉和碳粉充分混合形成復合粉，采用常規(guī)方法熔化和處理球墨鑄鐵，并在二次孕育過程中將復合粉按比例加入到鐵水中，保溫5~10min，隨即澆注獲得鑄態(tài)復合材料，再對鑄態(tài)復合材料進行等溫淬火熱處理，從而獲得鐵基復合材料。通過該方法制備的鐵基復合材料中，原位碳化鈦顆粒尺寸細小、在基體上分布均勻，保證了材料具有高強高韌特性。
文檔編號C22C33/08GK102586670SQ201210054540
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權日2012年3月5日
發(fā)明者張松利, 朱勁松, 毛永鋒, 趙玉濤, 陳剛 申請人:江蘇大學, 江蘇湯臣汽車零部件有限公司