本發明涉及一種鐵基復合材料及其制備方法。
背景技術：
：鐵基復合材料由于成本低、性能高，可根據不同需要改變增強相和基體組織，是目前發展較快的金屬基復合材料。傳統的復合材料的制備方法較多，其中有鑄造法、高溫自蔓延法、粉末冶金法等，根據增強相的形成方法有外加增強相法和原位合成增強相法。外加增強相法有較大弊端，顆粒與基體的界面污染，基體與增強相的結合力較差；顆粒在基體中分布均勻性較差，增強相的體積百分比受到限制。原位合成增強相法具有明顯的優勢，但目前的鑄造法不能夠達到較高的體積分數，耐磨性有限制，而粉末冶金法可以制備較高體積分數增強相的復合材料，同時增強相是原位生成的，與基體的結合界面干凈。目前，鐵基復合材料的增強相主要集中在TiC、VC、WC等碳化物范圍，而Nb是一種極好的碳化物形成元素，同時Nb和N也有很強的結合力，可以生成NbN，也是很好的增強相，而NbC和NbN均為氯化鈉面心立方晶體結構，可以相互形成Nb(C、N)碳氮化物固溶體，這種固溶體增強的鐵基復合材料的耐磨性比單一的碳化物或氮化物作為增強相的復合材料具有更加優良的耐磨性能，可以大大提高零件的使用壽命。而制備Nb(C、N)整體增強的鐵基復合材料難度較高，因為Nb的碳化和氮化反應速度不一樣，反應溫度也不一致，制備整體Nb(C、N)增強的鐵基復合材料工藝難度大。因此本發明意在采用粉末冶金原位合成法制備一種NbC增強的鐵基復合材料，然后對燒結致密化后的復合材料在相對較低的溫度下進行氮化處理，使表面生成一種硬度更高的Nb(C、N)固溶體增強相，這種表面具有Nb(C、N)增強相的復合材料可以大大提高復合材料表面的耐磨性，而材料心部NbC增強相仍具有良好的耐磨性，由表面到心部Nb(C、N)與NbC呈梯度分布。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是：基于上述問題，本發明提供一種鐵基復合材料及其制備方法。本發明解決其技術問題所采用的一個技術方案是：一種鐵基復合材料，鐵基復合材料的增強相為由Nb和C原子原位反應生成的NbC顆粒，鐵基復合材料表面經氮化處理形成Nb(C、N)固溶體增強相，鐵基復合材料增強相體積分數為26～43％，以質量百分數計，鐵基復合材料含有23～38％的Nb和3～5％的C。鐵基復合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)將鐵粉、鈮鐵粉和石墨粉混合，加入球磨罐中，加入磨球，在球磨罐中加入無水酒精覆蓋混合粉末；(2)在球磨機中進行球磨，球磨機的轉速為150～250r/min，球磨時間為24h；(3)球磨好的粉末與粘結劑混合均勻，過篩，在壓力機中壓制成零件壓坯，壓制壓力為350～400Mpa，保壓時間為30～60s；(4)將壓制好的零件壓坯放入真空燒結爐中燒結，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，最后加熱到最終溫度1380～1420℃，保溫60～90min；(5)降溫到700～900℃，通入氮氣，壓力為0.25～0.30Mpa，保溫6～12h，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得鐵基復合材料。進一步地，步驟(1)中鈮鐵粉和石墨粉的質量分數分別為44.8～74.0％和3.0～5.0％，其中Nb與C的原子比為1:1，混合粉末中加入鉬鐵粉、鉻鐵粉中的一種或兩種對基體進行合金化。進一步地，步驟(3)中粘結劑為石蠟。本發明的有益效果是：原位合成NbC增強的鐵基復合材料，并進行氮化處理，在復合材料零件的表面生成一種Nb(C、N)固溶體增強相，與心部NbC增強體之間呈一種梯度分布，之間沒有明顯的界面；由于復合材料的增強相是原位反應合成的，增強相與基體的界面是反應生成的，沒有污染問題，該復合材料具有極高的耐磨性能，尤其是表面性能更加優異，但制備工藝簡單，生產成本相對較低。具體實施方式現在結合具體實施例對本發明作進一步說明，以下實施例旨在說明本發明而不是對本發明的進一步限定。實施例1步驟1：粉料準備粉料成分：鈮鐵粉：51.3％Nb石墨粉：99.9％C鉬鐵粉：59.4％Mo鉻鐵粉：56.2％Cr鐵粉：98.5％Fe步驟2：在球磨機中進行球磨，球磨時間為24h，球磨機的轉速為200r/min。步驟3：球磨好的粉末與石蠟混合，然后過篩，在壓力機中壓制成零件壓坯，壓制壓力為360MPa，保壓時間30s。步驟4：將壓制好的零件放入真空燒結爐中燒結，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，將粘結劑分解排出，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，讓原位反應充分進行，最后加熱到最終溫度1380℃，保溫60min，燒結致密化。步驟5：燒結致密化后降溫到750℃，通入氮氣，壓力為0.25Mpa，保溫6h，使得燒結致密的零件表面氮化，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得復合材料，制的復合材料的顆粒增強相體積分數為26％，復合材料的表面硬度HRA78，磨損試驗相對耐磨率是淬火45鋼的1.56倍。實施例2步驟1：粉料準備成分粒度質量百分比鈮鐵粉≤50um63.9石墨粉≤5um4.2鉬鐵粉≤70um1.0鉻鐵粉≤50um1.0鐵粉≤20um29.9步驟2：在球磨機中進行球磨，球磨時間為24h，球磨機的轉速為200r/min。步驟3：球磨好的粉末與石蠟混合，然后過篩，在壓力機中壓制成零件壓坯，壓制壓力為360MPa，保壓時間30s。步驟4：將壓制好的零件放入真空燒結爐中燒結，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，將粘結劑分解排出，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，讓原位反應充分進行，最后加熱到最終溫度1380℃，保溫60min，燒結致密化。步驟5：燒結致密化后降溫到750℃，通入氮氣，壓力為0.25Mpa，保溫6h，使得燒結致密的零件表面氮化，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得復合材料，制的復合材料的顆粒增強相體積分數為37％，復合材料的表面硬度HRA79.5，磨損試驗相對耐磨率是淬火45鋼的1.94倍。實施例3步驟1：粉料準備成分粒度質量百分比鈮鐵粉≤50um63.9石墨粉≤5um4.2鉬鐵粉≤70um1.0鉻鐵粉≤50um1.0鐵粉≤20um29.9步驟2：在球磨機中進行球磨，球磨時間為24h，球磨機的轉速為200r/min。步驟3：球磨好的粉末與石蠟混合，然后過篩，在壓力機中壓制成零件壓坯，壓制壓力為360MPa，保壓時間30s。步驟4：將壓制好的零件放入真空燒結爐中燒結，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，將粘結劑分解排出，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，讓原位反應充分進行，最后加熱到最終溫度1380℃，保溫60min，燒結致密化。步驟5：燒結致密化后降溫到750℃，通入氮氣，壓力為0.25Mpa，保溫12h，使得燒結致密的零件表面氮化，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得復合材料，制的復合材料的顆粒增強相體積分數為37％，復合材料表面硬度HRA81，磨損試驗相對耐磨率是淬火45鋼的2.03倍。實施例4步驟1：粉料準備成分粒度質量百分比鈮鐵粉≤50um74.0石墨粉≤5um5.0鉬鐵粉≤70um1.0鉻鐵粉≤50um1.0鐵粉≤20um19.0步驟2：在球磨機中進行球磨，球磨時間為24h，球磨機的轉速為200r/min。步驟3：球磨好的粉末與石蠟混合，然后過篩，在壓力機中壓制成零件壓坯，壓制壓力為360MPa，保壓時間30s。步驟4：將壓制好的零件放入真空燒結爐中燒結，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，將粘結劑分解排出，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，讓原位反應充分進行，最后加熱到最終溫度1400℃，保溫60min，燒結致密化。步驟5：燒結致密化后降溫到750℃，通入氮氣，壓力為0.25Mpa，保溫6h，使得燒結致密的零件表面氮化，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得復合材料，制的復合材料的顆粒增強相體積分數為43％，復合材料的表面硬度HRA83，磨損試驗相對耐磨率是淬火45鋼的2.52倍。以上述依據本發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。當前第1頁1 2 3