[发明专利]一种铁基复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种铁基复合材料的制备方法，涉及金属基复合材料与先进制造的技术领域。以粒径为1～2微米的Fe‑Ni‑P复合粉末和粒径为100～250纳米的Fe‑N粉末为原材料；控制石墨模具压头的尺寸和轴向位移量，实现对多孔铁孔隙率的控制，制备出14～39％孔隙率的Fe‑Ni‑P合金/多孔Fe/Fe‑Ni‑P合金复合材料。减轻了Fe‑Ni‑P合金的重量的同时获得了良好的减震和阻尼性能，另一方面对成形样品的后续深冷处理可诱导表层Fe‑Ni‑P合金中亚稳态γ相向α相转变，从而显著提高其硬度强度，相变程度可通过改变深冷处理温度及保温时间加以控制，进而实现表层性能的可调节化。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料与先进制造的技术领域。

背景技术

高强质轻、多功能复合一直是金属基复合材料的发展方向。表层致密、中间多孔的具有三明治结构的金属基复合材料是近年来发展起来的一种新型复合材料，表层致密的结构保留了传统金属材料的优异力学性能，而中间层的多孔结构有效的降低了材料的密度，同时赋予了材料减振降噪和阻尼特性。具有该种复合结构的金属基复合材料在机械工程、航空航天、汽车、高速列车等领域均具有很好的应用价值和市场前景。

以Fe-N粉末为原料，通过控制烧结过程中的Fe-N相变行为，在不添加任何发泡剂或造孔剂的情况下制备综合力学性能优异的具有微纳米多孔结构的铁合金(ZL201310046622.3)，但是由于该铁合金表面硬度较低、耐蚀性较差，在制备具有减振和阻尼特性的齿轮、轴承等零部件上受到了一定限制。

Fe-Ni-P合金是近年来通过粉末冶金技术新开发的一种新型高磷含量的高性能合金(ZL201710448064.1)，该合金具有优异的力学性能和耐蚀性，可以取代不锈钢粉末冶金产品应用于高精度齿轮、轴承等高端精密零部件的制造，但是由于Fe-Ni-P复合粉末的制备成本较高，同时会产生废液排放，对环境有一定影响，限制了其进一步的开发和应用。

针对以上问题，结合Fe-N粉末和Fe-Ni-P复合粉末各自的特点，本发明提出了一种铁基复合材料的制备方法，成功的制备了具有三明治结构的Fe-Ni-P合金/多孔Fe/Fe-Ni-P合金的层状复合材料，相对于Fe-Ni-P合金，该铁基复合材料仅两端为Fe-Ni-P合金，大幅度减少了Fe-Ni-P复合粉末的用量，降低了成本和减小了环境污染，同时复合后的合金表层的硬度、强度和耐蚀性均与单一的Fe-Ni-P合金保持一致，中间为多孔Fe，大幅度的减轻了合金的重量，同时赋予了一定的减震和阻尼性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁基复合材料的制备方法，它能有效地结合Fe-Ni-P合金和多孔Fe的特点，实现了一种具有优异综合性能的三明治结构Fe-Ni-P合金/多孔Fe/Fe-Ni-P合金复合材料的制备，为新型具有减振和阻尼特性的高精度齿轮、轴承等高端精密零部件的制备提供了重要的技术支撑。

本发明主要通过以下技术方案来实现的：一种铁基复合材料的制备方法，具体工艺步骤如下：

称取粒径为1～2微米的Fe-Ni-P复合粉末2份，称取粒径为100～250纳米的Fe-N粉末1份；其中每份Fe-Ni-P复合粉末占总粉末的质量百分比为15～20％，Fe-N粉末占总粉末的质量百分比为60～70％；将所称取的Fe-Ni-P复合粉末1份、Fe-N粉末1份、Fe-Ni-P复合粉末1份，依次放入石墨模具中，在20MPa的轴向压力下预压成型，形成两端为Fe-Ni-P复合粉末，中间夹层为Fe-N粉末的复合圆柱体；将预压成型的复合圆柱体连同石墨模具放入放电等离子体烧结炉中，在真空的环境下进行放电等离子体烧结，烧结后获得的Fe-Ni-P合金部分为亚稳定的γ相结构，即面心立方结构；