[发明专利]碳化硅/碳化钨复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料冶炼领域，具体涉及一种碳化硅/碳化钨复合材料及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)是一种人造材料，地壳上至今尚未发现有天然碳化硅矿产。人造碳化硅的生产工艺是由美国的Acheson博士于1891年发明并投入工业化生产的，其生产工艺一直沿用至今。碳化硅具有很强的离子共价键，Si-C键结合约87％为共价键，在成键时形成SP3杂化轨道，形成类金刚石结构的四面体基本结构单元。碳化硅具有高达1250kJ/mol的原子化能值，其德拜温度也很高，达到1200～1430K，因此决定了碳化硅材料对于各种外界作用的稳定性。SiC具有很高的硬度和熔点，其高温强度高，耐磨耐腐蚀性能好，SiC的热导率高、热膨胀系数小，其优良的抗热震性为SiC材料广泛应用奠定了良好的基础。由于它具有许多优异性能，如高硬度、高强度、抗氧化、耐磨蚀、耐高温、耐热震及良好的热传导性等，碳化硅微粉在耐火材料、工程陶瓷、结构材料等方面的应用也非常广泛。

随着航空航天、原子能以及机械和化工等工业的发展，对工程材料性能的要求越来越高，如高比强度、高比刚度、耐高温、抗腐蚀、抗疲劳等。这对于单一的金属材料、陶瓷材料或高分子材料来说多是较难实现的，因此就促进了多种复合材料诸如有机无机复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等的问世与发展。与传统材料相比，陶瓷颗粒增强金属基复合材料不仅兼有金属的高韧性、高塑性优点和增强陶瓷颗粒的高硬度、高模量优点，而且材料具有各向同性，可采用传统的金属加工工艺进行加工。碳化硅具有密度低、强度高、弹性模量高、耐磨及耐腐蚀等优点，而且生产碳化硅(颗粒)SiCp的所需的原材料分布广泛，资源量极为丰富，且其工艺简单、成本低廉，因此应用碳化硅颗粒增强金属基复合材料的课题得到国内外广泛的关注。

按增强颗粒与基体合金混合方式及成形工艺不同，SiCp增强金属基复合材料的制备工艺主要可分为粉末冶金法、铸造法、喷射沉积法和原位合成法等一系列工艺，其中每一类又包含若干不同技术。铁的熔点高、密度大、比强度小、制备困难，制约着颗粒增强型铁基复合材料的发展。但是铁基材料有成本低、机加工性能好、可焊接、耐腐蚀、可进行热处理等一系列优点，弥补了传统轻金属基复合材料成本高、不耐磨的缺点。颗粒增强型铁基复合材料以其良好的力学性能、耐磨性、高温稳定性、耐腐蚀性受到越来越多的重视。其中以碳化硅、碳化钨、碳化钛、碳化铬硬颗粒为增强相的铁基复合材料有着非常广阔的应用前景。但在颗粒增强的铁基复合材料中还存在很多问题，如国内华南理工大学、中南大学、合肥工业大学、郑州大学等相关研究机构的研究表明：由于硬颗粒和基体的理化性质和表面性质差异大，对制备出增强相颗粒均匀分散的铁基复合材料造成很大的困难。碳化硅密度3.21g/cm³远小于铁的密度，在以铸造法制备SiC颗粒增强铁基复合材料时容易分层；且SiC颗粒与铁基金属液润湿性差，不浸润；此外，SiC颗粒表面还容易与铁基金属液发生有害的表面反应，损害复合材料的性能。

碳化钨(WC)颗粒不仅韧性好、硬度高、抗冲击载荷及抗磨粒磨损能力强，与基体金属结合具有较好的抗界面腐蚀磨损性能，而且与铁基金属液润湿性好，两者之间的润湿角为零。但WC体密度为15.63g/cm³，远大于铁的密度7.85g/cm³，同样的，以浇铸法制备WC颗粒增强的铁基复合材料时也会造成上下分层、分布不均匀的问题；并且W元素属于稀有贵金属资源，WC的成本也很高不利于工业化推广和大量的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具备碳化硅、碳化钨材料超硬、耐磨、耐蚀的特性、且密度可调控的很适于做铁基增强相的碳化硅-碳化钨复合材料，并公开了该复合材料的一种制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种碳化硅/碳化钨复合材料，它是在Acheson法冶炼碳化硅的原料中按M_W源∶M_C源∶M_Si源＝1.0∶0.58～2.02∶0.79～2.05的质量比引入W源粉体后，在1800℃～2400℃的温度下，于碳化硅冶炼炉中经8～24小时冶炼而成的所含C、Si、W元素呈弥散分布的复合材料。

一种碳化硅/碳化钨复合材料的制备方法，包括如下步骤：