[发明专利]原位合成硼化物/铁基复合材料及其制造方法

说明书

                                 技术领域

本发明为一种原位合成铁基复合材料及其制造方法，特别涉及一种原位合成硼化物/铁基复合材料及其制造方法，属于复合材料技术领域。

                                 背景技术

本发明为一种原位合成铁基复合材料及其制造方法，特别涉及一种原位合成硼化物/铁基复合材料及其制造方法，属于复合材料技术领域。

金属基复合材料综合了金属基体的高延性、高韧性和增强相高强度、高模量的优点，具有高比强度、高比刚度和耐磨及耐高温等优良特性，在航空航天、军工、汽车、冶金、矿山、机械和光学等工业领域具有十分广阔的应用前景。特别是颗粒增强的金属基复合材料，相比较纤维增强金属基复合材料具有成本低廉、各向异性小、容易成形，可用常规技术进行二次加工与机械加工等优点，近几年在国内外得到迅速发展。颗粒增强铁基复合材料的制备工艺多为固相法，以粉末冶金和高温自蔓延烧结工艺为主。原位反应铸造法是近十几年来大力发展的新工艺，具有如下特点：(1)增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。(2)通过合理选择反应元素的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。(3)省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成本较低。(4)从液态金属基体中原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的构件。(5)在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。但目前对增强颗粒的研究多集中于TiC。中国发明专利CN101104903公开了一种原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的低温加钛法，先将所需铸造生铁和3/4的低碳钢装入中频感应炉，升温将炉内金属料全部熔化后，加入剩余的1/4钢和硅铁合金，并搅拌均匀使金属液变为糊状，再加入钛铁合金颗粒，搅拌均匀后加入覆盖剂覆盖，升温、保温后扒渣浇注，获得TiCp/Fe复合材料。使用本发明的原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料，钛的烧损率可稳定在13％左右，且无需将钛做成预制块而直接加入熔体，操作工艺简单，生产成本大大降低。中国发明专利CN1537963还公开了一种原位合成(TiW)C颗粒增强Fe基复合材料及其制备方法，是用钨原子部分替代碳化钛中的钛原子，形成了(TiW)C颗粒增强复合材料，其重量百分比化学组成为C：0.566-2.397％，Ti：2.264-4.758％，W：4.383-18.267％；该种材料可用粉末压型电弧熔炼工艺，也可以采用块体原料真空感应电炉熔炼工艺，以真空感应电炉熔炼为佳；由于生成的(TiW)C颗粒比重与铁基体比重相近，而且界面相溶性好，结合力强，大大减少了(TiW)C在熔体中的偏析程度，解决了高温下颗粒加入难的问题，便于制备；大幅度地提高了耐磨材料的耐磨性能。但是，铁基原位增强复合材料采用碳化物做增强相时，由于碳加入量较多，基体主要是高碳马氏体，脆性较大，导致材料强度低、韧性差。TiB2除具有高熔点、高硬度、高模量和良好的耐腐蚀性能外，还有断裂韧性相对较好及热膨胀率与基体相差较小的优势，因而作为原位合成复合材料中的增强相正日益得到广泛的应用。中国发明专利CN101104903公开了一种铝碳化钛/二硼化钛复合材料及其制备方法，复合材料由二硼化钛颗粒增强相和铝碳化钛基体组成，其中二硼碳化钛颗粒增强相的体积百分数为10～30％。制备方法是：原料为碳化硼粉、钛粉、铝粉和石墨粉，B4C∶Ti∶Al∶C的摩尔比为2∶(40.4～13.4)∶(13.6～3.6)∶(20.4～3.9)。原料粉经物理机械方法混合10～18小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为5～10MPa，在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为10～30℃/分钟，烧结温度为1400～1600℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。该发明可以在较低温度原位制备出具有高强度的致密Ti3AlC2/TiB2复合材料。长期以来，TiB2主要作为铝、钛等合金的增强相。Fe2B是一种硬度很高和热稳定性好，耐磨耐蚀且脆性相对较小的硬质相，它是工业用钢件固体渗硼时期望得到的一种产物，它的适量存在对材料耐磨性能的改善有明显的效果。铁基材料是一种应用十分广泛的金属材料，具有价格低廉，制备无污染，回用方便和成型性能好等优点，同时通过热处理可以调整其机械性能和物理性能。

                                 发明内容