一种高硬度原位增强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高硬度原位增强铁基复合材料，以铁碳合金为基体，基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒；本发明专利技术还公开了该复合材料的制备方法，包括：一、准备原料粉末；二、原料粉末按比例混匀后进行一级高能球磨；三、与铁碳合金粉混匀；四、二级低能球磨；五、冷等静压；六、真空热压烧结。本发明专利技术采用基体中弥散分布的原位微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒作为增强相形成铁基复合材料，能够有效阻碍位错的运动，与基体碳化物起到显著的协同强化作用，且原位生成的增强相与铁基体的界面洁净无污染，界面结合强度高，使得铁基复合材料具有高硬度、高耐磨的特性；本发明专利技术的制备方法简便易行、灵活可控。灵活可控。灵活可控。

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度原位增强铁基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属金属基复合材料
，具体涉及一种高硬度原位增强铁基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]磨料磨损指物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失的现象。磨料磨损是最常见的磨损形式之一，尤其是在矿山、冶金、水泥、电力、化工、海洋工程等国家基础工业中广泛存在，同时也是危害最为严重的磨损形式。统计表明在各类磨损形式中，磨料磨损约占总消耗的50%。常用的耐磨材料经历了由高锰钢、镍硬铸铁、高铬铸铁到各类耐磨合金钢的发展阶段。随着工业不断发展，材料的服役环境不断恶化，多元损伤形式的叠加让材料磨料磨损失效更为复杂，传统的耐磨材料难以满足当前的使用需求，亟需研制耐磨性更好的新型铁基材料。
[0003]颗粒增强铁基复合材料可以充分发挥金属基体的韧性特征和陶瓷颗粒的高硬度、高耐磨性特征，极大程度地提高工件的耐磨性。增强相的选择对铁基复合材料的性能有至关重要的作用。目前铁基体中采用的陶瓷颗粒主要有Al2O3、ZTA、TiC、WC、SiC等。然而，这些颗粒大多通过外加法引入，存在颗粒与基体界面结合差、塑韧性差的问题。原位合成的增强体在金属基体内形核、长大，表面洁净无污染，与基体界面结合良好，强韧化效果好，具有更广阔的应用前景。
[0004]授权号为CN109136723B的中国专利公开了一种采用自蔓延反应合成铁基复合粉体的方法，生成TiN和TiB2两种增强相，但产物仍是粉体，且工艺不稳定，难以批量化生产。
[0005]公开号为CN113061796A的中国专利公布了一种铝合金表面铁基陶瓷复合材料、涂层及其制备方法，采用激光合金化的方法在铝合金表面形成陶瓷涂层，但是生成物极为复杂，且成本较高，难以制备大尺寸样品。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高硬度原位增强铁基复合材料。该复合材料中采用基体中弥散分布的原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒作为增强相形成铁基复合材料，有效阻碍了位错的运动，并与基体碳化物起到显著的协同强化作用，且原位生成的增强相与铁基体的界面洁净无污染，界面结合强度高，使得铁基复合材料具有高硬度、高耐磨的性能。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种高硬度原位增强铁基复合材料，其特征在于，以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为5.0%~50.0%，尺寸为0.5μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为0.5%~10.0%，尺寸为0.2μm~5μm；所述原位增强铁基复合材料的硬度为63HRC~70HRC。
[0008]根据Hume
‑
Rothery法则，Ti(N,C)是由TiN和TiC无限固溶形成的三元化合物，晶格
常数介于两者之间，弹性模量达251GPa~440GPa，由于Ti(N,C)具有更好的热稳定性、导电导热性能、优良的抗蠕变性和耐磨耐蚀性，且与钢铁的润湿性好，表现出优异的综合性能；而TiB是一种具有高强度、高硬度和弹性模量的陶瓷相。由于传统高铬铸铁合金中碳化物多为长条状，形貌粗大，导致合金塑韧性差，受到冲击时容易开裂，缩小了其适用范围。本专利技术采用原位生成的Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒作为增强相形成铁基复合材料，首先利用原位生成弥散分布的Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒阻碍铁基体中碳化物的生长，使其转变为颗粒状，有效改善了铁基复合材料的组织形貌及韧性，且Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒尺寸细小，且均为多面体形貌，弥散分布在铁基体中，有效阻碍位错的运动，起到显著的强化作用；其次，通过控制Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒的质量百分比和尺寸，从而获得具有不同硬度和弯曲强度匹配的铁基复合材料，两种原位增强相与基体碳化物发挥弥散强化和载荷传递强化的协同作用，有效提高了铁基复合材料的硬度和强度；再次，由于Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒增强相为原位生成，与铁基体的界面清洁无污染，界面结合强度高，进一步提高了铁基复合材料的硬度和抗弯强度。综上，本专利技术的高硬度原位增强铁基复合材料具有高硬度、高耐磨性能，应用前景广阔。
[0009]上述的一种高硬度原位增强铁基复合材料，其特征在于，所述微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒由钛粉、氮质体粉、硼粉在高温下与铁碳合金中的碳原子发生液固原位反应生成。本专利技术采用钛粉、氮质体粉、硼粉在高温下与铁碳合金中的碳原子发生液固原位反应生成微米级的Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒增强相，通过控制增强相颗粒的原料粉末，有效控制了增强相颗粒的形貌和尺寸，并与基体界面结合良好，促进了Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒与基体碳化物的协同强化作用。
[0010]另外，本专利技术还提供了一种制备如上述的高硬度原位增强铁基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、准备原料包括钛粉、氮质体粉和硼粉，且原料中钛粉的质量百分比为50%~80%，氮质体粉的质量百分比为15%~45%，硼粉的质量百分比为0%~5%；所述氮质体粉为BN、TiN、ZrN和CrN中的至少一种；步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以200r/min~500r/min的转速进行一级高能球磨4h~10h，得到一级混合粉末；所述过程控制剂硬脂酸的加入质量为原料质量的1%；步骤三、将步骤二中得到的一级混合粉末与铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中铁碳合金粉的质量百分比为60%~90%，一级混合粉末的质量百分比为10%~40%；步骤四、将步骤三中得到的混合粉末采用行星式球磨机以50r/min~250r/min的转速进行二级低能球磨4h~12h，得到二级混合粉末；步骤五、将步骤四中得到的二级混合粉末进行除气包套，然后采用冷等静压机在50MPa~250MPa的压力保压5min~15min，得到冷压坯体；步骤六、将步骤五中得到的冷压坯体放置于真空热压烧结炉中，先由室温升温至1200℃~1600℃保温0.5h~5h，然后降温至800℃~1100℃并施加20MPa~80MPa的压力保压20min~120min，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。
[0011]本专利技术将钛粉、氮质体粉和硼粉混匀后加入过程控制剂，在氩气保护下进行一级
高能球磨，使得钛粉表面均匀包覆轻质的氮质体粉和硼粉，并促进钛粉与氮质体粉、硼粉之间优先发生反应生成TiN相和TiB相，得到一级混合粉末，然后将一级混合粉末与铁碳合金粉混匀进行二级低能球磨，以进一步混匀，经冷等静压制成冷压坯体后进行真空热压烧结，采用先升温后降压加压的烧结制度，促进烧结各原料充分反应，提供了复合材料的致密度；同时，利用TiN与TiC晶格相近的特性，使得铁碳合金粉末中的碳原子均匀扩散进入TiN相中形成Ti(N,C)，得到Ti(N,C)和TiB原位增强的高硬度铁基复合材料。另外，本专利技术的球磨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高硬度原位增强铁基复合材料，其特征在于，以铁碳合金为基体，且基体中弥散分布着原位生成的微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒，其中，原位增强铁基复合材料中Ti(N,C)颗粒的质量百分比为5.0%~50.0%，尺寸为0.5μm~15μm，TiB颗粒的质量百分比为0.5%~10.0%，尺寸为0.2μm~5μm；所述原位增强铁基复合材料的硬度为63HRC~70HRC。2.根据权利要求1所述的一种高硬度原位增强铁基复合材料，其特征在于，所述微米级Ti(N,C)颗粒和TiB颗粒由钛粉、氮质体粉、硼粉在高温下与铁碳合金中的碳原子发生液固原位反应生成。3.一种制备如权利要求1或2所述的高硬度原位增强铁基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、准备原料包括钛粉、氮质体粉和硼粉，且原料中钛粉的质量百分比为50%~80%，氮质体粉的质量百分比为15%~45%，硼粉的质量百分比为0%~5%；所述氮质体粉为BN、TiN、ZrN和CrN中的至少一种；步骤二、将步骤一中准备的原料混合均匀并加入过程控制剂硬脂酸，然后在氩气保护氛围下，采用行星式球磨机以200r/min~500r/min的转速进行一级高能球磨4h~10h，得到一级混合粉末；所述过程控制剂硬脂酸的加入质量为原料质量的1%；步骤三、将步骤二中得到的一级混合粉末与铁碳合金粉混合均匀，得到混合粉末；所述混合粉末中铁碳合金粉的质量百分比为60%~90%，一级混合粉末的质量百分比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡恺琪，陈珍，周波，姜吉鹏，
申请(专利权)人：西安稀有金属材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：