[发明专利]铁基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铁基复合材料，铁基复合材料的增强相为由Nb和C原子原位反应生成的NbC颗粒，对铁基复合材料表面进行氮化处理形成Nb(C、N)颗粒增强相，铁基复合材料增强相体积分数为26～43％；并且公开了铁基复合材料的具体制备方法。本发明的有益效果是：原位合成NbC增强的铁基复合材料，并进行氮化处理，在材料表面生成一种Nb(C、N)固溶体增强相，与心部NbC增强体之间呈梯度分布；由于复合材料的增强相是原位反应合成的，增强相与基体界面是反应生成的，没有污染问题，该复合材料具有极高的耐磨性能，尤其是表面性能更加优异，复合材料的制备工艺简单，生产成本相对较低。

技术领域

本发明涉及一种铁基复合材料及其制备方法。

背景技术

铁基复合材料由于成本低、性能高，可根据不同需要改变增强相和基体组织，是目前发展较快的金属基复合材料。传统的复合材料的制备方法较多，其中有铸造法、高温自蔓延法、粉末冶金法等，根据增强相的形成方法有外加增强相法和原位合成增强相法。外加增强相法有较大弊端，颗粒与基体的界面污染，基体与增强相的结合力较差；颗粒在基体中分布均匀性较差，增强相的体积百分比受到限制。原位合成增强相法具有明显的优势，但目前的铸造法不能够达到较高的体积分数，耐磨性有限制，而粉末冶金法可以制备较高体积分数增强相的复合材料，同时增强相是原位生成的，与基体的结合界面干净。

目前，铁基复合材料的增强相主要集中在TiC、VC、WC等碳化物范围，而Nb是一种极好的碳化物形成元素，同时Nb和N也有很强的结合力，可以生成NbN，也是很好的增强相，而NbC和NbN均为氯化钠面心立方晶体结构，可以相互形成Nb(C、N)碳氮化物固溶体，这种固溶体增强的铁基复合材料的耐磨性比单一的碳化物或氮化物作为增强相的复合材料具有更加优良的耐磨性能，可以大大提高零件的使用寿命。而制备Nb(C、N)整体增强的铁基复合材料难度较高，因为Nb的碳化和氮化反应速度不一样，反应温度也不一致，制备整体Nb(C、N)增强的铁基复合材料工艺难度大。因此本发明意在采用粉末冶金原位合成法制备一种NbC增强的铁基复合材料，然后对烧结致密化后的复合材料在相对较低的温度下进行氮化处理，使表面生成一种硬度更高的Nb(C、N)固溶体增强相，这种表面具有Nb(C、N)增强相的复合材料可以大大提高复合材料表面的耐磨性，而材料心部NbC增强相仍具有良好的耐磨性，由表面到心部Nb(C、N)与NbC呈梯度分布。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种铁基复合材料及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种铁基复合材料，铁基复合材料的增强相为由Nb和C原子原位反应生成的NbC颗粒，铁基复合材料表面经氮化处理形成Nb(C、N)固溶体增强相，铁基复合材料增强相体积分数为26～43％，以质量百分数计，铁基复合材料含有23～38％的Nb和3～5％的C。

铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铁粉、铌铁粉和石墨粉混合，加入球磨罐中，加入磨球，在球磨罐中加入无水酒精覆盖混合粉末；

(2)在球磨机中进行球磨，球磨机的转速为150～250r/min，球磨时间为24h；

(3)球磨好的粉末与粘结剂混合均匀，过筛，在压力机中压制成零件压坯，压制压力为350～400Mpa，保压时间为30～60s；

(4)将压制好的零件压坯放入真空烧结炉中烧结，先以10℃/min的速度加热到550℃，保温30min，然后以10℃/min的速度升温到1050℃，保温100min，最后加热到最终温度1380～1420℃，保温60～90min；

(5)降温到700～900℃，通入氮气，压力为0.25～0.30Mpa，保温6～12h，使表面NbC颗粒氮化生成Nb(C、N)，制得铁基复合材料。