[发明专利]一种稀土掺杂WC颗粒增强钢基复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于钢基复合材料技术领域，具体涉及一种稀土掺杂WC颗粒增强钢基复合材料及其制备方法，复合材料的原料按重量分数计，包括0.5‑1wt％的稀土粉末以及60wt％的WC颗粒，余量为钢基体粉末；稀土粉末的粒径为50‑100nm；WC颗粒的粒径为180‑250μm；钢基体粉末的粒径为50‑100μm；其制备方法为经粘结剂和酒精与WC颗粒混合后，通过球磨工艺，让稀土元素分散附着在WC颗粒表面，然后在真空环境下进行长时间的烘干，充分地去除酒精和石蜡，再中速球磨混分，然后采用两次不同升压压制成形，最后在真空管式炉中通入氩气进行保护烧结。本发明中加入稀土分散附着WC颗粒增强钢基复合材料的性能得到了显著的提升与改良，改善了复合界面的性能，从而整体提升和改善了复合材料的力学性能。

技术领域

本发明属于钢基复合材料技术领域，具体涉及一种稀土掺杂WC颗粒增强钢基复合材料及其制备方法。

背景技术

我们国家的稀土种类与含量及钢铁资源非常的丰富，现如今稀土广泛的应用于钢铁材料、合金材料及金属基复合材料之中。研究发现，在金属基复合材料中，由于稀土元素电负性较低(La元素为1.1，Ce元素为1.12，Y元素为1.22。常见的基体金属Fe的电负性为1.83，Ni为1.91)，因而稀土元素在冶炼过程中将优先吸附于金属基体和增强相的晶界上，降低其界面能，增加界面的黏附功，减小润湿角，从而提高基体与增强相的润湿性。其次，稀土作为活性元素，在烧结、喷涂等冶金过程中还可能与增强相反应生成界面能低的化合物，起到“反应润湿”的效果。由于稀土元素与O、S、P、N等元素具有较强的亲和力，其氧化物、硫化物、磷化物和氮化物的标准生成自由能较低，这些化合物熔点较高且密度小，部分可以从合金液中上浮而去除，部分均匀地分布在晶内，减少了杂质在晶界上的偏聚，从而净化晶界，提高晶界强度。

陶瓷颗粒增强钢基复合材料的界面反应区是在热作用下陶瓷颗粒发生熔解并与基体反应形成界面相的过程。前期研究发现WC/钢复合材料的界面相为Fe₃W₃C，则其形成类似于通过反应烧结的方法形成新的陶瓷相。在烧结过程中，由于稀土的离子半径相对Fe、W、C较大，难于与界面相形成固溶体，其存在于界面相的晶界上，阻碍其他离子的迁移，降低晶界迁移速率，抑制晶粒生长，细化界面组织，提高界面反应区的韧性等性能，其可以降低界面处裂纹产生和拓展的可能性，从而提高复合材料的力学性能。综上，需要解决基于陶瓷颗粒表面稀土分散附着预处理下，WC颗粒增强钢基复合材料的真空烧结制备的问题。例如如下现有技术：

CN1116248A公开了一种含稀土及其氧化物的碳化钨基硬质合金，加入Ta、La、Nd、Y等稀土元素及其氧化物，采用湿磨的方法球磨24-120h,用冷等静压机压制成型后放入高温真空炉中烧结成型，以求应用在制造金刚石的顶锤上。此方法放宽了顶锤的工艺要求的同时提高了其使用寿命。但湿磨过程中球磨罐不能采取真空环境，化学性质极其活泼的稀土元素以及WC颗粒极易在球磨过程中氧化，而长时间的球磨过程中小钢珠的碰撞使稀土元素和WC颗粒的能量升高，进一步加剧了氧化，造成球磨质量下降。

CN108746636A公开一种稀土调控颗粒微观界面生长的碳化钨-钢基复合材料，加入Nd、Y、Ta中的任意一种或几种的混合物，稀土元素的含量为2-5％，采用干磨的球磨方法，球磨24-48h，将稀土元素附着在WC颗粒表面，再用粉末压片机压制成WC颗粒增强钢基表层复合材料，进行高温真空烧结。由于球磨时间过长及未采用间歇式球磨法，从而会导致WC颗粒破碎及结块，且制备周期长；稀土附着WC颗粒表面时未使用粘结剂，从而会导致稀土附着不牢靠，同时由于稀土使用量大，导致稀土元素过多，在材料中成为杂质，影响材料的综合性能，因此浪费稀土材料，提高成本。制备周期过长，成本高的缺点限制了材料的应用。

发明内容

本发明意在提供一种稀土掺杂WC颗粒增强钢基复合材料及其制备方法，整体提升和改善了复合材料的力学性能。