[发明专利]一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料，具体而言为涉及一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法。

技术背景

耐磨材料需要同时具有高硬度和高韧性，整体复合虽提高了强度，却大大降低了韧性，而磨损通常只发生在零件的特定表面，此外，整体复合材料不利于回收与再利用，造成材料浪费和环境污染；因此，材料研究者开发了在韧性基材（如钢铁）表面生成一层高硬度耐磨层的表面复合材料，这种复合材料兼具良好的表面耐磨性和基体韧性，可满足实际工况对零件提出表面或局部耐磨的要求；不同的工况条件，对材料的使用性能要求不同，设计表面复合材料时，增强相/基体复合体系的合理选择与组合十分重要，通常根据工作温度、耐磨性能、韧性、强度等的要求不同选择不同的铁基体，再配合适当的增强相来制备铁基表面复合材料；目前，国内外对铁基表面复合材料的研究所选用的基体大多为45钢、20钢、HT200等系列铁合金、抗磨铸铁以及高锰钢等，对铁合金，在冶炼时大多数都加入一些合金化元素，以保证基体的韧性，理论上讲，可选用高硬度、高刚度、难熔的碳化物、氧化物、硼化物和氮化物等陶瓷材料作为铁基表面复合材料增强相，其中，碳化物陶瓷与铁基体具有良好的润湿性，成为铁基表面复合材料增强相的理想选择。

目前，制备铁基表面复合材料主要侧重于传统的外加颗粒的方法，它存在以下不足：外加颗粒和基体的相容性不好，且不可避免有表面污染和附着物，导致与基体的界面结合不牢；外加颗粒的尖角对基体有割裂作用，可能导致裂纹，使材料断裂失效，因而，其增强作用不能得到充分发挥；八十年代中后期，材料工作者发明了原位自生复合法，又称原位内生复合法，其显著特点是：①增强体是从金属基体内部原位形核长大的热力学稳定相，与基体结合良好；②通过优化设计和工艺参数，可以得到不同尺寸、数量的增强体，还可调整它们的分布；③节省了单独合成、加工、加入和分散增强体的工序，简化了工艺，减少了设备，降低成本；④利用液态原位反应合成工艺，可铸造制备形状复杂的零件；⑤原位合成的颗粒增强相无明显的尖角且颗粒尺寸较小等；它克服了外加颗粒的种种弊端，在当前材料制备中得到了飞速的发展，部分产品已经达到实用化，具体方法有：高能束表面原位熔覆法、涂覆铸造法（又称反应铸渗法）、原位反应喷涂法、SHS（自蔓延高温合成）铸造技术、离心自蔓延法等。

然而，原位自生金属基复合材料的工业应用还有许多难题亟需深入研究和解决，主要表现为：1）制备技术还不是很成熟，各种制备工艺的参数还处于实验室的优化、探索阶段；工艺参数对制备出来的材料中基体和增强体的结合强度的影响还没规律化；得到的材料有的存在较大的缺陷，致密性不能适应越来越高的工况条件，有材料工作者用激光重熔和热等静压等进行二次处理，虽大大提高了复合层的质量，但也同时提高了成本；2）由于陶瓷相和金属的热物理性能(如热膨胀系数和热导率等)差别较大，容易造成应力集中，产生裂纹。