[发明专利]一种超细碳化物颗粒增强金属基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种超细碳化物颗粒增强金属基复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。本发明所述方法通过脱胶碳纤维球磨结合超声处理工艺，得到超细碳颗粒嵌入金属粉末，碳颗粒原位生成金属碳化物，再与其他颗粒相混料‑压制‑预烧结‑烧结，得到均匀分布的超细碳化物颗粒增强金属基复合材料。原位生成的超细碳化物颗粒占复合材料的体积分数5～60％。本发明所设计和制备的超细碳化物颗粒增强金属基复合材料兼具金属的高强高韧、耐腐蚀等性能，以及碳化物的高硬度、耐磨性、抗氧化等性能，制备工艺简单，成本低，且碳化物与基体金属结合更好。

技术领域

本发明涉及超细碳化物颗粒增强金属基复合材料，具体涉及超细碳化物颗粒增强金属基复合材料及其制备方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料兼具金属的高强高韧、高塑性，以及耐腐蚀，以及陶瓷硬质相的高硬度、高刚度、良好的热稳定性等优点，具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的物理性能和力学性能而成为各国高新技术研究开发的重要领域，因此具有很大的发展潜质和应用前景。

制备方法而言，以前较多地使用粉末冶金法和铸造方法，后来又出现了原位复合法和其他一些方法,其中的原位反应合成技术已成为现在制备颗粒增强金属基复合材料的重要方法。其中，原位复合法的优点即原位生成的增强体与金属基体界面结合良好，生产相的热力学稳定性好，不存在增强体与金属基体之间的润湿和界面反应等问题，但也存在工艺过程要求严格较难掌握，增强相的成分和体积分数不易控制等缺点，因此，发展工艺简便，且增强相分布均匀的颗粒增强金属基复合材料制备工艺是目前的研究热点。

中国发明专利CN101705454公开了一种碳化钨增强高速钢基复合材料制备工艺，该制备工艺主要包括以下步骤：用钨丝编织成钨丝网，裁剪、多层卷制或叠加制成网状立体骨架结构；按照铸造工艺要求制作铸型，把钨丝立体网状骨架预置在铸型型腔中；冶炼高速钢浇入铸型中，冷却清理后得到钨丝－高速钢二元材料预制体；把钨丝－高速钢二元材料预制体置入热处理炉，加温到碳化物形成温度进行保温，获得碳化钨颗粒增强高速钢基复合材料。用该方法制备的复合材料充分发挥了碳化钨硬质相的高耐磨性能和高速钢的良好韧性，调控方便，工艺可靠，解决了复合材料反应不完全，增强相颗粒分布不均匀，增强相界面污染弱化等难题，可广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭、建材等耐磨领域。

中国发明专利CN101705450公开了一种高速钢基复合材料制备工艺，该制备工艺包括以下步骤：用钼丝编织成钼丝网，裁剪、多层卷制或叠加制成网状立体骨架结构；按照铸造工艺要求制作铸型，把钼丝立体网状骨架预置在铸型型腔中；冶炼高速钢，得到液态高速钢浇入铸型中，冷却清理后得到钼丝—高速钢二元材料预制体；把钼丝－高速钢二元材料预制体置入热处理炉，加温到碳化物形成温度进行保温，获得碳化钼颗粒增强高速钢基复合材料。用该方法制备的复合材料充分发挥了碳化钼硬质相的高耐磨性能和高速钢的良好韧性，调控方便，工艺可靠，解决了复合材料反应不完全，增强相颗粒分布不均匀，增强相界面污染弱化等难题，可广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭、建材等耐磨领域。

高速钢是一种由大量碳、钨、钼、铬、钒等元素的合金钢，本身的组织中就存在碳化物的不均匀分布，传统的熔炼铸造无法解决该问题。以上两个专利虽然企图通过熔融态高速钢注入钨或钼网骨架，试图利用高温，使W或Mo网与高速钢中的铁反应，形成碳化物，但凝固时基体内部的组织偏析，即基体中析出的碳化物的偏析仍无法消除。而且依靠钨或钼网骨架，碳化得到的网状碳化物较之前的高速钢更为连续，且由于网丝直径为0.1～2.5mm，如此粗大的网丝形成的碳化物太过粗大，连续、粗大的脆性碳化物骨架将导致高速钢的脆性大幅提高，反而对合金性能产生不利影响。

粉末冶金工艺是解决碳化物颗粒增强金属基复合材料中颗粒不均匀分布的有效方法之一，但难点在于如何保证碳化物颗粒在基体中的均匀分布。目前，有报道采用球磨方式加入，虽然可一定程度解决该问题，但加入的碳化物粒度过细(超细粉)，由于细粉严重的团聚现象，因此很难通过简单的球磨将其分散。而且，一般外加的金属碳化物粉末与金属的润湿性较差，易导致烧结的不致密。