专利名称：原位合成(TiW)C颗粒增强Fe基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于耐磨钢铁材料的改性研究，涉及原位自生增强相制备钢铁基复合材料的设计和制备工艺。
背景技术：
近十年来，人们的注意力一直在关注原位复合材料的制备技术，其显著优点是，消除了基体和强化相间的界面不相容性，因为通过形核和长大过程可以在熔体中形成在热力学上更为稳定的第二相。尽管最初原位合成复合材料是在Al基合金中发展起来的，但很快应用于Fe基原位复合材料的研究，主要是对TiC-Fe复合材料的研究。虽然原位合成TiC颗粒增强Fe基复合材料制备成功，但值得注意的是TiC和液态金属的密度相差较大，先形成的TiC颗粒在凝固过程中趋于漂浮或聚集状态，导致铸造过程中的上浮或偏析现象。
从国内外的报道来看，多数体积分数较大的TiC/Fe复合材料都是采用粉末冶金制备的，但是粉末冶金法制备的材料韧性低，耐冲击能力较差，生产成本昂贵，这限制了其发展与应用。采用原位自生铸造方法则克服了这个缺点，但一般制备的材料的体积分数都小于15％，原因是在制备过程中，TiC在熔体中的形成是剧烈的(ΔG＝-186606+13.22TJ/mol)，反应难于控制。
针对上述缺点，本发明提出原位合成(TiW)C颗粒增强Fe基复合材料及其制备工艺。
发明内容
本发明在原位合成TiC颗粒增强Fe基复合材料的基础上，利用W可以替代TiC中至少50％的Ti原子，形成(TiW)C颗粒增强复合材料，其密度在6.67-9.07g/cm3范围内变化，而TiC和Fe的密度分别为4.25g/cm3和7.8g/cm3，这表明(TiW)C的密度更接近于基体Fe的密度，容易获得分布均匀的(TiW)C颗粒增强复合材料，大大减少了TiC在熔体的偏析程度，使材料的耐磨性和冲击性能提高。通过原位合成(TiW)C颗粒，具有界面相容性好，结合力强，解决了高温下颗粒加入难的问题，便于制备。这对这种复合材料的实际应用具有重大意义。以一部分W替代Ti制备(TiW)C/Fe复合材料则可以使在耐磨钢铁材料中，这种复合材料的体积分数可达到30％。
复合材料中(TiW)C体积百分数为10-30％。基体可以是铁素体基体、珠光体基体和马氏体基体，根据性能要求而定。对于铁素体基体(TiW)C颗粒的体积百分数最高可达30％，对于珠光体和马氏体基体(TiW)C颗粒的体积百分数最高可达20％。原材料可以是粉体材料，也可以是通过块体合金材料按所需的(TiW)C体积百分数和对基体组织的要求配制而成。
(TiW)C/Fe复合材料是由基体铁(或钢)和第二相(TiW)C组成。材料的制备可以有以下两种方案1.以工业纯铁、Ti、W、C粉末为原材料，采用电弧炉熔炼。各成分分配比如表1所示；2.以中间合金、铸铁(4.0％C)、废钢(0.2％C)、钛铁和钨铁为原材料采用真空感应电炉熔炼，化学成分如表2所示。
表1 10vol％TiC和(TiW)C-Fe的化学成分，wt％
表2 TiC/Fe和(TiW)C/Fe的化学成分，wt％
利用W可以替代TiC中至少50％的Ti原子，其中的50％所指的是摩尔分数，即TiC中0.5摩尔的Ti被W原子替代，形成了(Ti0.5W0.5)C；10vol％、20vol％分别指的是(TiW)C/Fe中(TiW)C相的体积占材料总体积的10vol％和20vol％，化学成分重量的分比范围为C0.566-2.397％，Ti2.264-4.758％，W4.383-18.267％本发明的原位复合材料经过实测数据证明了它具有如下优点1提高了材料中第二相与基体由于密度差造成的偏析现象。2材料的性能明显改善。具体表现在1)(TiW)C/Fe材料的基体、整体的硬度明显高于TiC/Fe复合材料如表3所示。2)(TiW)C/Fe复合材料的耐磨性优于同体积分数下的TiC/Fe复合材料，耐磨性提高了将近2-3倍。
表3 TiC/Fe和(TiW)C/Fe的硬度比较(HV)
另外，对材料的纵截面进行了硬度测试，即沿着材料纵截面的顶端向底端每隔一定的距离测定材料的硬度，结果表明在TiC/Fe复合材料中，明显有硬度的不均匀性，在靠近材料的顶端的硬度要大于材料的中下部分，组织观察发现，材料上部的第二相的数量较多，而越靠近底部，第二相的数量越少。而在(TiW)C/Fe中，组织分布较为均匀，沿着纵截面的硬度分布基本保持一致，这说明用W替代TiC中的部分Ti在材料中原位合成(TiW)C相，由于它的密度接近于铁，第二相分布均匀，克服了第二相偏聚的现象，提高了TiC/Fe复合材料的性能，进一步说明加入W之后对材料组织和性能的改善。
合金可以采用电弧炉熔炼也可以采用真空感应炉熔炼。
电弧炉熔炼工艺采用商业用钛粉、碳粉、钨粉、铁粉。按成分配比后，用搅拌机充分搅拌均匀，用双柱手动液压机在270MPa压力下制成预制块，然后放入氩气保护的非自耗钨极电弧炉中熔炼10分钟，试样正反熔炼各一次。
真空感应电炉的熔炼工艺原材料包括铸铁(4.0％C)、废钢(0.2％C)、钨铁、钛铁，首先将铸铁进行提纯，即把大块铸铁在电炉中重熔提纯，并按2％计量加入铝进行造渣、除氧、去杂质，加入少量的硅增加流动性，在温度达到1600℃时，在砂型中制成铸铁棒。对废钢表面进行除锈，将钛铁和钨铁放入电炉中加热到400℃左右烘干半小时以除净水份和气体。
将重熔提纯后的铸铁和废钢按成分配比放入真空感应电炉的镁砂坩锅中，将称量好的钛铁和钨铁放入感应电炉的二次加料箱中，抽真空到10-2Pa以后，通入氩气保护(0.05MPa)温度达到1550℃时，将二次加料箱中的钛铁和钨铁倒入其中熔炼，熔炼温度保持在1650-1700℃(红外线测温仪测定)，保温15分钟后浇入砂模或铁模铸成工件。
两种工艺相比，从利于工业生产，降低生产成本角度上讲，真空感应电炉熔练工艺更好，更具有优越性。
本发明可应用于高锰钢、低铬铸铁和普通铸铁上，提高它们的耐磨性能并减少原材料和能源的消耗，提高劳动生产率。
附图为10vol％(TiW)C/Fe和10vol％TiC/Fe复合材料的耐磨性能对比图。
具体实施例方式
使用铸铁(4.0％)废钢(0.2％C)、钨铁、钛铁为原料，按(TiW)C/Fe的化学成分wt％，铸铁25.619％，废钢54.627％，钨铁12.270％，钛铁7.484％，进行配料。首先将铸铁进行提纯，把大块铸铁在电炉中重熔提纯，并按2％计算加入铝进行造渣、除氧，去杂质，加入少量的硅增加流动性，当温度达到1600℃时，在砂型中铸成铁棒。对废钢表面进行除锈，将钛铁和钨铁放入电炉中加热到400℃左右烘干半小时，除去水份和吸附的气体。以上作业也就是冶炼的准备工序。
在镁砂炉衬坩埚的真空感应电炉中，按合金比例加入提纯后的铸铁和除锈后的废钢进行熔炼，将按比例称量好的钛铁和钨铁放入真空感应电炉的二次加料箱中，开启真空泵，把炉腔抽至10-2Pa真空以后；通入氩气保护，炉腔内压力为0.05Mpa，温度达到1550℃时，将装在二次加料箱中的钛铁和钨铁倒入炉中进行熔练，当熔练温度保持在1650-1700℃时保温15分钟后，采用砂模或铁模铸成铸件。
对铸件进行分析(TiW)C/Fe的化学成分wt％10vol％(Ti0.5W0.5)C/FeC1.132％，Ti2.264％，W8.692％，Fe87.912％。
表4 10vol％(TiW)C/Fe和10vol％TiC/Fe基体及整体的硬度比较(HV)
权利要求
1.原位合成(TiW)C颗粒增强Fe基复合材料及制备方法，其特征在于采用钨原子替代碳化钛中的部分钛原子，形成了(TiW)C颗粒增强复合材料。
2.根据权利要求书1所说的原位合成(TiW)C颗粒增强Fe基复合材料，其特征在于根据性能要求基体Fe可以是铁素体基体、珠光体基体和马氏体基体，复合材料中(TiW)C的体积百分数为10-30％，化学成分重量百分比范围为，C0.566-2.3997％，Ti2.264-4.758％，W4.383-18.267％；对于铁素体基体(TiW)C颗粒的体积百分比最高可达30％，对于珠光体基体和马氏体基体(TiW)C颗粒的体积百分比最高可达20％。
3.根据权利要求书1所述的原位合成(TiW)C颗粒增强Fe基复合材料，其特征在于复合材料的制备可以采用粉体材料，也可以通过块状中间合金材料，按所需(TiW)C体积百分数和对基体组织的要求配制而成。
4.根据权利要求书1所说的原位合成(TiW)C颗粒增强Fe基复合材料，其特征在于复合材料的制备可以采用电弧熔练工艺，也可以采用真空感应电炉熔炼工艺；以真空感应电炉熔炼工艺为佳。
全文摘要
原位合成(TiW)C颗粒增强铁基复合材料及制备方法，属于耐磨钢铁材料的改性领域，是用钨原子部分替代碳化钛中的钛原子，形成了(TiW)C颗粒增强复合材料，其重量百分比化学组成为C0.566－2.397％，Ti2.264－4.758％，W4.383－18.267％；该种材料可用粉末压型电弧熔炼工艺，也可以采用块体原料真空感应电炉熔炼工艺，以真空感应电炉熔炼为佳；由于生成的(TiW)C颗粒比重与铁基体比重相近，而且界面相溶性好，结合力强，大大减少了(TiW)C在熔体中的偏析程度，解决了高温下颗粒加入难的问题，便于制备；大幅度地提高了耐磨材料的耐磨性能。
文档编号C22C38/00GK1537963SQ03133950
公开日2004年10月20日 申请日期2003年9月12日 优先权日2003年9月12日
发明者任英磊, 潘卫东, 邱克强, 付立铭, 姜文辉 申请人:沈阳工业大学