本發(fā)明涉及一種鐵基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：鐵基復(fù)合材料由于成本低、性能高，可根據(jù)不同需要改變?cè)鰪?qiáng)相和基體組織，是目前發(fā)展較快的金屬基復(fù)合材料。傳統(tǒng)的復(fù)合材料的制備方法較多，其中有鑄造法、高溫自蔓延法、粉末冶金法等，根據(jù)增強(qiáng)相的形成方法有外加增強(qiáng)相法和原位合成增強(qiáng)相法。外加增強(qiáng)相法有較大弊端，顆粒與基體的界面污染，基體與增強(qiáng)相的結(jié)合力較差；顆粒在基體中分布均勻性較差，增強(qiáng)相的體積百分比受到限制。原位合成增強(qiáng)相法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但目前的鑄造法不能夠達(dá)到較高的體積分?jǐn)?shù)，耐磨性有限制，而粉末冶金法可以制備較高體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)相的復(fù)合材料，同時(shí)增強(qiáng)相是原位生成的，與基體的結(jié)合界面干凈。目前，鐵基復(fù)合材料的增強(qiáng)相主要集中在TiC、VC、WC等碳化物范圍，而Nb是一種極好的碳化物形成元素，同時(shí)Nb和N也有很強(qiáng)的結(jié)合力，可以生成NbN，也是很好的增強(qiáng)相，而NbC和NbN均為氯化鈉面心立方晶體結(jié)構(gòu)，可以相互形成Nb(C、N)碳氮化物固溶體，這種固溶體增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料的耐磨性比單一的碳化物或氮化物作為增強(qiáng)相的復(fù)合材料具有更加優(yōu)良的耐磨性能，可以大大提高零件的使用壽命。而制備Nb(C、N)整體增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料難度較高，因?yàn)镹b的碳化和氮化反應(yīng)速度不一樣，反應(yīng)溫度也不一致，制備整體Nb(C、N)增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料工藝難度大。因此本發(fā)明意在采用粉末冶金原位合成法制備一種NbC增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料，然后對(duì)燒結(jié)致密化后的復(fù)合材料在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行氮化處理，使表面生成一種硬度更高的Nb(C、N)固溶體增強(qiáng)相，這種表面具有Nb(C、N)增強(qiáng)相的復(fù)合材料可以大大提高復(fù)合材料表面的耐磨性，而材料心部NbC增強(qiáng)相仍具有良好的耐磨性，由表面到心部Nb(C、N)與NbC呈梯度分布。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：基于上述問題，本發(fā)明提供一種鐵基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的一個(gè)技術(shù)方案是：一種鐵基復(fù)合材料，鐵基復(fù)合材料的增強(qiáng)相為由Nb和C原子原位反應(yīng)生成的NbC顆粒，鐵基復(fù)合材料表面經(jīng)氮化處理形成Nb(C、N)固溶體增強(qiáng)相，鐵基復(fù)合材料增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為26～43％，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，鐵基復(fù)合材料含有23～38％的Nb和3～5％的C。鐵基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：(1)將鐵粉、鈮鐵粉和石墨粉混合，加入球磨罐中，加入磨球，在球磨罐中加入無水酒精覆蓋混合粉末；(2)在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為150～250r/min，球磨時(shí)間為24h；(3)球磨好的粉末與粘結(jié)劑混合均勻，過篩，在壓力機(jī)中壓制成零件壓坯，壓制壓力為350～400Mpa，保壓時(shí)間為30～60s；(4)將壓制好的零件壓坯放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，最后加熱到最終溫度1380～1420℃，保溫60～90min；(5)降溫到700～900℃，通入氮?dú)?，壓力?.25～0.30Mpa，保溫6～12h，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得鐵基復(fù)合材料。進(jìn)一步地，步驟(1)中鈮鐵粉和石墨粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為44.8～74.0％和3.0～5.0％，其中Nb與C的原子比為1:1，混合粉末中加入鉬鐵粉、鉻鐵粉中的一種或兩種對(duì)基體進(jìn)行合金化。進(jìn)一步地，步驟(3)中粘結(jié)劑為石蠟。本發(fā)明的有益效果是：原位合成NbC增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料，并進(jìn)行氮化處理，在復(fù)合材料零件的表面生成一種Nb(C、N)固溶體增強(qiáng)相，與心部NbC增強(qiáng)體之間呈一種梯度分布，之間沒有明顯的界面；由于復(fù)合材料的增強(qiáng)相是原位反應(yīng)合成的，增強(qiáng)相與基體的界面是反應(yīng)生成的，沒有污染問題，該復(fù)合材料具有極高的耐磨性能，尤其是表面性能更加優(yōu)異，但制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本相對(duì)較低。具體實(shí)施方式現(xiàn)在結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以下實(shí)施例旨在說明本發(fā)明而不是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定。實(shí)施例1步驟1：粉料準(zhǔn)備粉料成分：鈮鐵粉：51.3％Nb石墨粉：99.9％C鉬鐵粉：59.4％Mo鉻鐵粉：56.2％Cr鐵粉：98.5％Fe步驟2：在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為24h，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200r/min。步驟3：球磨好的粉末與石蠟混合，然后過篩，在壓力機(jī)中壓制成零件壓坯，壓制壓力為360MPa，保壓時(shí)間30s。步驟4：將壓制好的零件放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，將粘結(jié)劑分解排出，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，讓原位反應(yīng)充分進(jìn)行，最后加熱到最終溫度1380℃，保溫60min，燒結(jié)致密化。步驟5：燒結(jié)致密化后降溫到750℃，通入氮?dú)?，壓力?.25Mpa，保溫6h，使得燒結(jié)致密的零件表面氮化，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得復(fù)合材料，制的復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為26％，復(fù)合材料的表面硬度HRA78，磨損試驗(yàn)相對(duì)耐磨率是淬火45鋼的1.56倍。實(shí)施例2步驟1：粉料準(zhǔn)備成分粒度質(zhì)量百分比鈮鐵粉≤50um63.9石墨粉≤5um4.2鉬鐵粉≤70um1.0鉻鐵粉≤50um1.0鐵粉≤20um29.9步驟2：在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為24h，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200r/min。步驟3：球磨好的粉末與石蠟混合，然后過篩，在壓力機(jī)中壓制成零件壓坯，壓制壓力為360MPa，保壓時(shí)間30s。步驟4：將壓制好的零件放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，將粘結(jié)劑分解排出，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，讓原位反應(yīng)充分進(jìn)行，最后加熱到最終溫度1380℃，保溫60min，燒結(jié)致密化。步驟5：燒結(jié)致密化后降溫到750℃，通入氮?dú)?，壓力?.25Mpa，保溫6h，使得燒結(jié)致密的零件表面氮化，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得復(fù)合材料，制的復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為37％，復(fù)合材料的表面硬度HRA79.5，磨損試驗(yàn)相對(duì)耐磨率是淬火45鋼的1.94倍。實(shí)施例3步驟1：粉料準(zhǔn)備成分粒度質(zhì)量百分比鈮鐵粉≤50um63.9石墨粉≤5um4.2鉬鐵粉≤70um1.0鉻鐵粉≤50um1.0鐵粉≤20um29.9步驟2：在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為24h，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200r/min。步驟3：球磨好的粉末與石蠟混合，然后過篩，在壓力機(jī)中壓制成零件壓坯，壓制壓力為360MPa，保壓時(shí)間30s。步驟4：將壓制好的零件放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，將粘結(jié)劑分解排出，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，讓原位反應(yīng)充分進(jìn)行，最后加熱到最終溫度1380℃，保溫60min，燒結(jié)致密化。步驟5：燒結(jié)致密化后降溫到750℃，通入氮?dú)?，壓力?.25Mpa，保溫12h，使得燒結(jié)致密的零件表面氮化，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得復(fù)合材料，制的復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為37％，復(fù)合材料表面硬度HRA81，磨損試驗(yàn)相對(duì)耐磨率是淬火45鋼的2.03倍。實(shí)施例4步驟1：粉料準(zhǔn)備成分粒度質(zhì)量百分比鈮鐵粉≤50um74.0石墨粉≤5um5.0鉬鐵粉≤70um1.0鉻鐵粉≤50um1.0鐵粉≤20um19.0步驟2：在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為24h，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200r/min。步驟3：球磨好的粉末與石蠟混合，然后過篩，在壓力機(jī)中壓制成零件壓坯，壓制壓力為360MPa，保壓時(shí)間30s。步驟4：將壓制好的零件放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，先以10℃/min的速度加熱到550℃，保溫30min，將粘結(jié)劑分解排出，然后以10℃/min的速度升溫到1050℃，保溫100min，讓原位反應(yīng)充分進(jìn)行，最后加熱到最終溫度1400℃，保溫60min，燒結(jié)致密化。步驟5：燒結(jié)致密化后降溫到750℃，通入氮?dú)?，壓力?.25Mpa，保溫6h，使得燒結(jié)致密的零件表面氮化，使表面NbC顆粒氮化生成Nb(C、N)，制得復(fù)合材料，制的復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為43％，復(fù)合材料的表面硬度HRA83，磨損試驗(yàn)相對(duì)耐磨率是淬火45鋼的2.52倍。以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3