[发明专利]一种铁基复合粉体的自蔓延合成及其应用

说明书

本发明涉及一种铁基复合粉体的自蔓延合成及其应用，以钛粉，氮化硼粉，铁粉或/和铁基合金粉为原料，均匀混合后采用自蔓延烧结制备而成。与现有技术相比，本发明提供的一种铁基复合粉体，包含TiB₂/TiN二元陶瓷增强相，BN润滑相（自润滑介质），可用于制备增强型自润滑铁基复合材料，兼具TiB₂/TiN高硬度、高耐磨的特性以及纯铁或铁基合金的高强度。

技术领域

本发明涉及一种铁基复合粉体的自蔓延合成及其应用，具体说，是涉及一种包含TiB₂/TiN二元陶瓷相，BN润滑相以及Fe(或Fe合金)金属相的一种复合粉体的自蔓延合成及其应用。

背景技术

铁基粉末冶金材料是最重要的粉末冶金材料之一，是采用含有Fe、Cu、Ni、Cr、Co、石墨等组分的粉末通过压制烧结制成的，相比传统铸铁材料，铁基粉末冶金材料具有更高的强度、硬度和更好的耐磨性。如汽车的发动机、轮轴、进排气系统中均大量应用铁基复合材料。然而，随着当前汽车高速化、高载荷等能力的需要，对零部件的耐热、耐磨、耐腐蚀等性能提出了更高的要求。制备陶瓷相增强铁基复合材料(CMMCs)是提高材料性能的有效途径。它是以陶瓷(颗粒、短纤维、连续长纤维)为增强相，以铁及其合金为基体制备的一种兼具金属与非金属的综合性能的复合材料。得益于陶瓷相的增强作用，该复合材料具有比传统铁合金更高的硬度、强度，更好的耐腐蚀性，更加优异的耐磨性，并且具有相对较低的密度，因为成为替代传统铁合金材料的理想选择。

陶瓷相的选择对铁基复合材料的性能有至关重要的影响。二硼化钛(TiB₂)是一种具有高强度、高硬度、高杨氏模量的陶瓷材料，是铁基复合材料的理想增强相。此外，由于TiB₂具有较低的密度，可以有助于部件的轻量化。氮化钛(TiN)是一种具有优异的力学和耐磨性能的陶瓷材料，并且具有良好的导热性能、良好的耐高温性能和化学稳定性，其与金属材料的界面结合性能较好，被广泛应用于硬质合金材料的增强相。

TiB₂和TiN被用作增强相制备铁基复合材料的传统多采用粉末冶金、液态或半固态铸造、预制件渗透等方法。

然而，其中采用粉末冶金法，将陶瓷相与Fe基体粉末机械混合，由于烧结温度低于金属相的熔点，烧结过程中基本无液相产生，且陶瓷相与金属相之间无化学反应性结合，仅存在较弱的互扩散作用，导致界面结合较弱，降低了陶瓷相的增强效果；采用液态或半固态铸造法，TiB₂和TiN容易因密度差上浮，导致材料的密度不均，难于获得均质材料；采用预制件渗透方法，虽然可以克服各相密度差造成的材料不均，但材料内部容易形成残余气孔，且该方法过程复杂，对设备要求较高，高昂的成本限制了该方法广泛应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种自蔓延合成铁基复合粉体的方法，以钛粉，氮化硼粉，铁粉或/和铁基合金粉为原料，均匀混合后采用自蔓延烧结制备而成。

本发明以钛粉，氮化硼粉，铁粉或/和铁基合金粉为原料，所述原料中钛粉和氮化硼粉在自蔓延烧结的过程中发生反应：3Ti+2BN→2TiN+TiB₂，即BN粉与Ti粉通过自蔓延生成陶瓷增强相TiN+TiB₂，不仅避免了直接采用采用TiB₂或TiN颗粒作为陶瓷增强相，而且工艺和设备简单，节约了制备成本。此外，根据上述反应3Ti+2BN→2TiN+TiB₂：若是自蔓延反应过程中Ti粉过量，则BN基本完全反应。过量的Ti粉可能会以Ti相的形式存在，还可能会与Fe基合金形成新的合金相。若是BN过量，则钛粉完全反应且所述BN相还有剩余，此时剩余BN还可作为自润滑介质存在于所述铁基复合粉体中。