一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，复合材料由金属/碳化物核壳增强相和钢铁基体材料组成，金属/碳化物核壳以高韧性金属M为核，以与金属M相应的碳化物MxCy为壳，碳化物MxCy壳层内的碳化物体积分数和形貌尺寸呈梯度变化。本发明专利技术还公开了一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料的制备方法，采用该方法制备的金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料中核壳内韧外硬，碳化物壳层与金属核之间拥有良好的界面结合，应用范围广泛。

A metal/carbide core-shell reinforced steel matrix composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料及其制备方法
本专利技术属于粉末冶金
，具体涉及一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着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，而传统的单一钢铁材料难以满足服役条件的需要。碳化物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、可焊性以及碳化物的高强高硬，耐磨等性能，而被广泛的应用在冶金、煤矿、石油化工、航空航天等行业。对于钢铁基复合材料耐磨性和强度的提高主要通过改变复合材料中增强相的体积分数。然而，随着增强相体积分数的提高，复合材料的韧性/塑性降低，存在强韧性倒置关系。例如，JianhongPeng等人，于2017年在《JournalofAlloysandCompounds》上发表的论文《Improvingthemechanicalpropertiesoftantalumcarbideparticle-reinforcediron-basedcompositebyvaryingtheTaCcontents》使用高能球磨机及随后的热压烧结工艺制备了TaC颗粒增强铁基复合材料，TaC含量为20-60wt％。随着TaC含量从20％增加到60％时，复合材料的屈服强度和最大抗压强度先显着提高，然后随着TaC含量的增加而减小，特别是当TaC含量为60％时，TaC/Fe复合材料的应变急剧的降低。此外。FangxiaYe等人，于2014年在《JournalofMaterialsEngineeringandPerformance》上发表的论文《VolumeFractionEffectofV8C7ParticulatesonImpactToughnessandWearPerformanceofV8C7/FeMonolithicComposites》采用熔渗铸造及随后的热处理技术制备了V8C7颗粒增强铁基复合材料。研究表明，随着V8C7颗粒体积分数从8％增加到33％，复合材料的耐磨性显著的提高，然而其韧性从8.06J/cm2降低到4.7J/cm2。由于碳化物/钢铁基复合材料强度与韧性之间的这种倒置关系，所以限制了其更为广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，具有较好的耐磨性和冲击韧性。本专利技术的另一个目的是提供一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料的制备方法。本专利技术采用的第一技术方案是，一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，复合材料由金属/碳化物核壳增强相和钢铁基体材料组成，金属/碳化物核壳以高韧性金属M为核，以与金属M相应的碳化物MxCy为壳，碳化物MxCy壳层内的碳化物体积分数和形貌尺寸呈梯度变化。本专利技术的技术特征还在于，其中，复合材料按质量百分比由以下组分组成：2.45％～16.2％石墨粉、10％～30％铁粉和67.5％～82％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％。复合材料按质量百分比由以下组分组成：70％～80％碳钢粉和20％～30％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％；碳钢粉中碳的质量百分比为0.65％～1.8％，其余为铁。高韧性金属粉为钽粉、铌粉、钛粉、锆粉、钒粉中的一种或两种以上。本专利技术采用的第二技术方案是，一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，材料体系的选择与准备第一种体系：按质量百分比分别称取以下组分：2.45％～16.2％石墨粉、10％～30％铁粉和67.5％～82％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％；第二种体系：按质量百分比由以下组分组成：70％～80％碳钢粉和20％～30％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％；碳钢粉中碳的质量百分比为：0.65％～1.8％C，其余为铁；步骤2，混料采用V型混料机将步骤1称取的各组分按材料体系进行混合，混合均匀后即得混合粉末；步骤3，压坯预成型采取普通模压或冷等静压将步骤2的混合粉末压制成形，即得压坯，单位压制压力为1.0～1.5t/cm2；步骤4，热压烧结将步骤3的压坯放置于热压烧结炉中进行烧结，即得烧结后试样；最终烧结温度控制在1000℃～1150℃，烧结过程中使用纯度≥99.9％的氩气作为保护气体；步骤5，对步骤4的烧结后试样进行450℃～600℃的退火处理，即得金属/碳化物增强钢铁基复合材料。步骤1中，高韧性金属粉为钽粉、铌粉、钛粉、锆粉、钒粉中一种或多种。步骤2中，采用V型混料机混料时，V型混料机转速为60～90r/min，混料时间为6～24h。压坯预成型前，在混合粉末中添加2～4wt％的石蜡作为成形剂；热压烧结前，需先对压坯进行预烧脱蜡，脱蜡温度为500℃～600℃，脱蜡时间为0.8h-1.2h。热压烧结过程中，压坯在最终烧结温度1000℃～1150℃下保温0.3h～6h，压坯单位面积压力保持在10MPa～15MPa。本专利技术的有益效果在于，(1)金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料中的金属/碳化物核壳以高韧性金属为核，以相应的碳化物为壳，内韧外硬，外硬碳化物壳层可以保护内韧金属核，同时内韧金属核也可以支撑外硬碳化物壳层；(2)碳化物壳层不单单是致密的碳化物，在尺寸和分布上呈梯度分布；(3)采用近共晶温度热压烧结，高温下碳原子扩散到韧性金属表面发生原位反应，并在其表面原位内延形成碳化物壳层，从而形成金属/碳化物核壳，碳化物壳层与金属核之间拥有良好的界面结合；(4)本专利技术采用近共晶温度热压烧结工艺，可精准调控碳化物壳层的厚度，而且在较低的温度可以制备细晶组织，此外可以显著降低制备成本、节约资源。附图说明图1是本专利技术实施例1中Ta/TaC核壳增强铁基复合材料的结构示意图；图2是本专利技术实施例1中Ta/TaC核壳增强铁基复合材料的x射线衍射(XRD)分析结果图；图3是本专利技术实施例1中Ta/TaC核壳的结构示意图；图4是本专利技术实施例5中V/VC核壳的结构示意图。图中，1.核，2.壳，3.基体。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，复合材料由金属/碳化物核壳增强相和钢铁基体材料组成，金属/碳化物核壳以高韧性金属M为核，以与所述金属M相应的碳化物MxCy为壳，碳化物MxCy壳层内的碳化物体积分数和形貌尺寸呈梯度变化。该复合材料包括两种材料体系，第一种是按质量百分比由以下组分组成：2.45％～16.2％石墨粉、10％～30％铁粉和67.5％～82％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％。第二种是按质量百分比由以下组分组成：70％～80％碳钢粉和20％～30％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％；碳钢粉中碳的质量百分比为：0.65％～1.8％C，其余为铁；以上高韧性金属粉为钽粉、铌粉、钛粉、锆粉、钒粉中一种或多种。本专利技术一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1，材料体系的选择与准备第一种体系：按质量百分比分别称取以下组分：2.45％～16.2％石墨粉、10％～30％铁粉和67.5％～82％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，其特征在于，所述复合材料由金属/碳化物核壳增强相和钢铁基体材料组成，所述金属/碳化物核壳以高韧性金属M为核，以与所述金属M相应的碳化物MxCy为壳，碳化物MxCy壳层内的碳化物体积分数和形貌尺寸呈梯度变化。

【技术特征摘要】
1.一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，其特征在于，所述复合材料由金属/碳化物核壳增强相和钢铁基体材料组成，所述金属/碳化物核壳以高韧性金属M为核，以与所述金属M相应的碳化物MxCy为壳，碳化物MxCy壳层内的碳化物体积分数和形貌尺寸呈梯度变化。2.根据权利要求1所述的一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，其特征在于，所述复合材料按质量百分比由以下组分组成：2.45％～16.2％石墨粉、10％～30％铁粉和67.5％～82％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％。3.根据权利要求1所述的一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，其特征在于，所述复合材料按质量百分比由以下组分组成：70％～80％碳钢粉和20％～30％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％；所述碳钢粉中碳的质量百分比为0.65％～1.8％，其余为铁。4.根据权利要求2或3所述的一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料，其特征在于，所述高韧性金属粉为钽粉、铌粉、钛粉、锆粉、钒粉中的的一种或两种以上。5.一种金属/碳化物核壳增强钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，材料体系的选择与准备第一种体系：按质量百分比分别称取以下组分：2.45％～16.2％石墨粉、10％～30％铁粉和67.5％～82％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％；第二种体系：按质量百分比由以下组分组成：70％～80％碳钢粉和20％～30％高韧性金属粉，以上各组分的重量百分比总和为100％；所述碳钢粉中碳的质量百分...

【专利技术属性】
技术研发人员：许云华，白海强，钟黎声，魏俊哲，邓超，商昭，朱建雷，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61