專利名稱：：原位合成硼化物/鐵基復合材料及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明為一種原位合成鐵基復合材料及其制造方法，特別涉及一種原位合成硼化物/鐵基復合材料及其制造方法，屬f復合材料
技術領域：
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背景技術：
：本發(fā)明為一種原位合成鐵基復合材料及其制造方法，特別涉及一種原位合成硼化物/鐵基復合材料及其制造方法，屬于復合材料
技術領域：
。金屬基復合材料綜合了金屬基體的高延性、高韌性和增強相高強度、高模量的優(yōu)點，具有高比強度、高比剛度和耐磨及耐高溫等優(yōu)良特性，在航空航天、軍工、汽車、冶金、礦山、機械和光學等工業(yè)領域具有十分廣闊的應用前景。特別是顆粒增強的金屬基復合材料，相比較纖維增強金屬基復合材料具有成本低廉、各向異性小、容易成形，可用常規(guī)技術進行二次加工與機械加工等優(yōu)點，近幾年在國內外得到迅速發(fā)展。顆粒增強鐵基復合材料的制備工藝多為固相法，以粉末冶金和高溫自蔓延燒結工藝為主。原位反應鑄造法是近十幾年來大力發(fā)展的新工藝，具有如下特點(1)增強體是從金屬基體中原位形核、長大的熱力學穩(wěn)定相，因此，增強體表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，且界面結合強度高。(2)通過合理選擇反應元素的類型、成分及其反應性，可有效地控制原位生成增強體的種類、大小、分布和數(shù)量。(3)省去了增強體單獨合成、處理和加入等工序，因此，其工藝簡單，成本較低。(4)從液態(tài)金屬基體中原位形成增強體的工藝，可用鑄造方法制備形狀復雜、尺寸較大的構件。(5)在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時，可較大幅度地提高材料的強度和彈性模量。但目前對增強顆粒的研究多集中于TiC。中國發(fā)明專利CM01104903公開了一種原位反應鑄造法制備TiCp/Fe復合材料的低溫加鈦法，先將所需鑄造生鐵和3/4的低碳鋼裝入中頻感應爐，升溫將爐內金屬料全部熔化后，加入剩余的1/4鋼和硅鐵合金，并攪拌均勻使金屬液變?yōu)楹隣?，再加入鈦鐵合金顆粒，攪拌均勻后加入覆蓋劑覆蓋，升溫、保溫后扒渣澆注，獲得TiCp/Fe復合材料。使用本發(fā)明的原位反應鑄造法制備TiCp/Fe復合材料，鈦的燒損率可穩(wěn)定在13%左右，且無需將鈦做成預制塊而直接加入熔體，操作工藝簡單，生產(chǎn)成本大大降低。中國發(fā)明專利QU537恥3還公開了一種原位合成(TiW)C顆粒增強Fe基復合材料及其制備方法，是用鎢原子部分替代碳化鈦中的鈦原子，形成了(nw)c顆粒增強復合材料，其重量百分比化學組成為C:0.566-2.397%,Ti:2.264-4.758%,W:4.383-18.267%;該種材料可用粉末壓型電弧熔煉工藝，也可以采用塊體原料真空感應電爐熔煉工藝，以真空感應電爐熔煉為佳；由于生成的(TiW)C顆粒比重與鐵基體比重相近，而且界面相溶性好，結合力強，大大減少了(TiW)C在熔體中的偏析程度，解決了高溫下顆粒加入難的問題，便于制備；大幅度地提高了耐磨材料的耐磨性能。但是，鐵基原位增強復合材料采用碳化物做增強相時，由于碳加入量較多，基體主要是高碳馬氏體，脆性較大，導致材料強度低、韌性差。TiB2除具有高熔點、高硬度、高模量和良好的耐腐蝕性能外，還有斷裂韌性相對較好及熱膨脹率與基體相差較小的優(yōu)勢，因而作為原位合成復合材料中的增強相正日益得到廣泛的應用。中國發(fā)明專利CN101104903公開了一種鋁碳化鈦/二硼化鈦復合材料及其制備方法，復合材料由二硼化鈦顆粒增強相和鋁碳化鈦基體組成，其中二硼碳化鈦顆粒增強相的體積百分數(shù)為io30%。制備方法是原料為碳化硼粉、鈦粉、鋁粉和石墨粉，B4C:Ti:Ai:c的摩爾比為2:(40.413.4):(13.63.6):(20.43.9)。原料粉經(jīng)物理機械方法混合1018小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為510MPa，在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為103(TC/分鐘，燒結溫度為1幼0160(TC、燒結時間為0.52小時、燒結壓強為2040MPa。該發(fā)明可以在較低溫度原位制備出具有高強度的致密Ti3AlC2/TiB2復合材料。長期以來，TiB2主要作為鋁、鈦等合金的增強相。Fe2B是一種硬度很高和熱穩(wěn)定性好，耐磨耐蝕且脆性相對較小的硬質相，它是工業(yè)用鋼件固體滲硼時期望得到的一種產(chǎn)物，它的適量存在對材料耐磨性能的改善有明顯的效果。鐵基材料是一種應用十分廣泛的金屬材料，具有價格低廉，制備無污染，回用方便和成型性能好等優(yōu)點，同時通過熱處理可以調整其機械性能和物理性能。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是采用原位反應鑄造法，原位合成(TiB2+Fe2B)/鐵基復合材料，同時采用熱處理，使基體轉變?yōu)閺婍g性好的板條馬氏體，并加入微量鎂、鈰、鉀，改善硼化物的形態(tài)和分布，得到顆粒狀(TiB2+Fe2B)均勻分布在板條馬氏體基體上的復合組織，使復合材料具有高強度、高硬度和較好的韌性和耐磨性。另外，還加入少量銅，可提高基體淬透性。本發(fā)明的目的可以通過以下措施來實現(xiàn)-本發(fā)明原位合成硼化物/鐵基復合材料中，強化相(TiB2+Fe2B)的體積百分數(shù)為15—20%，而各元素的化學成分按重量百分比為0.08-0.25C,2.0-2.5B，0.8-1.2Ti，1.2-1.6Cu，0.05-0.08Mg,0.4-0.8Ce，0.05~0.12K,Si〈0.5，Mn<0.5，S<0.03，P<0.04，F(xiàn)e余量。本發(fā)明原位合成硼化物/鐵基復合材料的制造工藝步驟是(1)將Q235鋼、45鋼、銅板在電爐中混合加熱熔化，爐前調整成分合格后，將熔體溫度升高至1620—ie60。C，并加入占熔體重量O.15~0.25%鋁脫氧，然后加入硼鐵和鈦鐵。(2)當硼鐵和鈦鐵全部熔化后，將金屬鈰用薄鋼板包好后，壓入爐內，然后將熔體注入壓力加鎂包，包內預先放置有鎂塊，并用鉀鹽覆蓋。(3)然后將經(jīng)過鉀和鎂處理過的金屬熔體澆注成鑄件，熔體澆注溫度1420—146(TC;(4)鑄件清理后，在950—98(TC保溫2—4小時，水冷，然后在200—220'C進行回火處理，回火保溫時間6—IO小時，最后空冷至室溫。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下顯著的優(yōu)點-.①本發(fā)明的原位合成硼化物/鐵基復合材料，顆粒增強相是TiB2+Fe2B，TiB2和Fe2B顆粒增強相硬度高，分別達到2960—3110Hv和1430—1480Hv，且熱穩(wěn)定性好，高溫熱處理后不分解、不軟化。②本發(fā)明原位合成硼化物/鐵基復合材料，用普通電爐熔煉，工藝簡便，便于規(guī)?；苽?，且不含價格昂貴的V、Mo、Ni、W等合金元素，生產(chǎn)成本低廉。③本發(fā)明原位合成硼化物/鐵基復合材料經(jīng)熱處理后，基體轉變?yōu)閺婍g性好的板條馬氏體，復合材料具有強度、硬度高，韌性和耐磨性好等特點，其中硬度大于55HRC，抗拉強度大于650Mpa，沖擊韌性大于20J/cm2。④本發(fā)明的原位合成硼化物/鐵基復合材料，在錘頭、襯板等領域使用，使用壽命比高錳鋼提高2—4倍，與高鉻白口鑄鐵相當，但生產(chǎn)成本比高鉻鑄鐵降低40%以上。具體實施例方式下面結合本發(fā)明的原位合成硼化物/鐵基復合材料其顆粒增強相及各元素的化學成分制定依據(jù)和發(fā)明人給出的實施例對本發(fā)明作進步詳述。由于TiB2和Fe2B顆粒增強相硬度高，分別達到2960—3110Hv和1430—1480Hv，且熱穩(wěn)定性好，高溫熱處理后不分解、不軟化。因此本發(fā)明復合材料選用TiB2和Fe2B為顆粒增強相，且顆粒增強相體積分數(shù)控制在15—20%。若顆粒增強相體積分1^少于15%，則復合材料硬度低、耐磨性差；若顆粒增強相體積分數(shù)超過20%,則復合材料韌性低，脆性大，因此，將顆粒增強相體積分數(shù)控制在15—20%較為合適。為了保證顆粒增強相為TiB2和Fe2B，且體積分數(shù)為15—20%，因此，將B的重量百分比控制在2.0-2.5,Ti的重量百分比控制0.8-1.2。另外，加入少量碳是為了熱處理后獲得強韌性的板條馬氏體基體。加入適量銅是為了改善基體淬透性。加入鎂、鈰、鉀，是為了細化組織，改善硼化物形態(tài)和分布，提高原位合成硼化物/鐵基復合材料的綜合性能。Fe-B-C鑄造合金中加入鈦元素后，除了生成Fe2B和TiB2外，并沒有出現(xiàn)TiC和TiB,這與反應的熱力學和動力學有關。從反應熱力學看，形成TiC、TiB和TiB2的反應關系式如下Ti+B=TiBAG°=-163200+5.9Tq)Ti+2B=TiB2AG。=-284500+20.5!T(2)Ti+C二TiCAG。=-184800十12.55r(3)從式(1)至式(3)可以看出，生成TiB2的反應自由能絕對值最大，在熱力學上是最穩(wěn)定的，也是最容易生成的。從動力學看，金屬熔體中硼含量比碳含量高得多，金屬熔體中生成TiB2比生成TiC更容易，因此，凝固組織中沒有出現(xiàn)TiC和TiB。下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳述釆用原位合成法制備硼化物/鐵基復合材料，其制造工藝步驟是(1)將Q235鋼、45鋼、銅板在電爐中混合加熱熔化，爐前調整成分合格后，將熔體溫度升高至1620—166(TC，并加入占熔體重量O.15"0.25%鋁脫氧，然后加入硼鐵和鈦鐵。(2)當硼鐵和鈦鐵全部熔化后，將金屬鈰用薄鋼板包好后，壓入爐內，然后將熔體注入壓力加鎂包，包內預先放置有鎂塊，并用鉀鹽覆蓋。(3)然后將經(jīng)過鉀和鎂處理過的金屬熔體澆注成鑄件，熔體澆注溫度1420—146(TC;(4)鑄件清理后，在950—980。C保溫2—4小時，水冷，然后在200—220。C進行回火處理，回火保溫時間6—10小時，最后空冷至室溫。復合材料中各元素的化學成分見表1，復合材料性能見表2。表1復合材料中各元素的化學成分重量百分及硼化物體積分數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2復合材料力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>取本發(fā)明原位合成硼化物/鐵基復合材料制作的錘頭和襯板，在破碎機和球磨機上，進行裝機使用，結果如下本發(fā)明原位合成硼化物/鐵基復合材料制作的錘頭和襯板，其使用壽命比高錳鋼提高2—4倍，與高鉻白口鑄鐵相當，但生產(chǎn)成本比卨鉻鑄鐵降低40%以上。本發(fā)明原位合成硼化物/鐵基復合材料生產(chǎn)工藝簡單，原料來源豐富，不含貴重合金元素，生產(chǎn)成本低廉，推廣應用具有很好的經(jīng)濟和社會效益。權利要求1、一種原位合成硼化物/鐵基復合材料，其特征在于強化相是TiB2和Fe2B，其體積百分數(shù)為15-20％，且復合材料各元素的化學成分按重量百分比為0.08-0.25C，2.0-2.5B，0.8-1.2Ti，1.2-1.6Cu，0.05-0.08Mg，0.4-0.8Ce，0.05-0.12K，Si＜0.5，Mn＜0.5，S＜0.03，P＜0.04，F(xiàn)e余量。2、如權利要求1所說的原位合成硼化物/鐵基復合材料制造方法，其特征在于用電爐生產(chǎn)，其工藝步驟是(1)將Q235鋼、45鋼、銅板在電爐中混合加熱熔化，爐前調整成分合格后，將熔體溫度升高至1620—1660°C,并加入占熔體重量0.15-0.25%鋁脫氧，然后加入湖鐵和鈦鐵。(2)當硼鐵和鈦鐵全部熔化后，將金屬鈰用薄鋼板包好后，壓入爐內，然后將熔體注入壓力加鎂包，包內預先放置有鎂塊，并用鉀鹽覆蓋。(3)然后將經(jīng)過鉀和鎂處理過的金屬熔體澆注成鑄件，熔體澆注溫度1420—146(TC;(4)鑄件清理后，在950—980。C保溫2—4小時，水冷，然后在200—220。C進行回火處理，回火保溫時間6—IO小時，最后空冷至室溫。全文摘要本發(fā)明為一種原位合成硼化物/鐵基復合材料及其制造方法，其強化相是TiB₂和Fe₂B，強化相的體積百分數(shù)為15-20％，且復合材料各元素的化學成分按重量百分比為0.08-0.25C，2.0-2.5B，0.8-1.2Ti，1.2-1.6Cu，0.05-0.08Mg，0.4-0.8Ce，0.05-0.12K，Si＜0.5，Mn＜0.5，S＜0.03，P＜0.04，F(xiàn)e余量。本發(fā)明原位合成硼化物/鐵基復合材料利用電爐便可生產(chǎn)，經(jīng)熔煉、熔體爐外處理、鑄造和熱處理后，復合材料的硬度大于55HRC，抗拉強度大于650MPa，沖擊韌性大于20J/cm²，具有優(yōu)良的綜合性能，用于生產(chǎn)耐磨鑄件，具有良好的使用效果。文檔編號C22C33/00GK101235465SQ20081002047公開日2008年8月6日申請日期2008年3月7日優(yōu)先權日2008年3月7日發(fā)明者剛丁,丁家偉,符寒光,雷永平申請人:鎮(zhèn)江能豐電冶復合材料有限公司