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。技术实现要素：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。进一步地，步骤(1)中铌铁粉和石墨粉的质量分数分别为44.8～74.0％和3.0～5.0％，其中Nb与C的原子比为1:1，混合粉末中加入钼铁粉、铬铁粉中的一种或两种对基体进行合金化。进一步地，步骤(3)中粘结剂为石蜡。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，在复合材料零件的表面生成一种Nb(C、N)固溶体增强相，与心部NbC增强体之间呈一种梯度分布，之间没有明显的界面；由于复合材料的增强相是原位反应合成的，增强相与基体的界面是反应生成的，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，但制备工艺简单，生产成本相对较低。具体实施方式现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。实施例1步骤1：粉料准备粉料成分：铌铁粉：51.3％Nb石墨粉：99.9％C钼铁粉：59.4％Mo铬铁粉：56.2％Cr铁粉：98.5％Fe步骤2：在球磨机中进行球磨，球磨时间为24h，球磨机的转速为200r/min。步骤3：球磨好的粉末与石蜡混合，然后过筛，在压力机中压制成零件压坯，压制压力为360MPa，保压时间30s。步骤4：将压制好的零件放入真空烧结炉中烧结，先以10℃/min的速度加热到550℃，保温30min，将粘结剂分解排出，然后以10℃/min的速度升温到1050℃，保温100min，让原位反应充分进行，最后加热到最终温度1380℃，保温60min，烧结致密化。步骤5：烧结致密化后降温到750℃，通入氮气，压力为0.25Mpa，保温6h，使得烧结致密的零件表面氮化，使表面NbC颗粒氮化生成Nb(C、N)，制得复合材料，制的复合材料的颗粒增强相体积分数为26％，复合材料的表面硬度HRA78，磨损试验相对耐磨率是淬火45钢的1.56倍。实施例2步骤1：粉料准备成分粒度质量百分比铌铁粉≤50um63.9石墨粉≤5um4.2钼铁粉≤70um1.0铬铁粉≤50um1.0铁粉≤20um29.9步骤2：在球磨机中进行球磨，球磨时间为24h，球磨机的转速为200r/min。步骤3：球磨好的粉末与石蜡混合，然后过筛，在压力机中压制成零件压坯，压制压力为360MPa，保压时间30s。步骤4：将压制好的零件放入真空烧结炉中烧结，先以10℃/min的速度加热到550℃，保温30min，将粘结剂分解排出，然后以10℃/min的速度升温到1050℃，保温100min，让原位反应充分进行，最后加热到最终温度1380℃，保温60min，烧结致密化。步骤5：烧结致密化后降温到750℃，通入氮气，压力为0.25Mpa，保温6h，使得烧结致密的零件表面氮化，使表面NbC颗粒氮化生成Nb(C、N)，制得复合材料，制的复合材料的颗粒增强相体积分数为37％，复合材料的表面硬度HRA79.5，磨损试验相对耐磨率是淬火45钢的1.94倍。实施例3步骤1：粉料准备成分粒度质量百分比铌铁粉≤50um63.9石墨粉≤5um4.2钼铁粉≤70um1.0铬铁粉≤50um1.0铁粉≤20um29.9步骤2：在球磨机中进行球磨，球磨时间为24h，球磨机的转速为200r/min。步骤3：球磨好的粉末与石蜡混合，然后过筛，在压力机中压制成零件压坯，压制压力为360MPa，保压时间30s。步骤4：将压制好的零件放入真空烧结炉中烧结，先以10℃/min的速度加热到550℃，保温30min，将粘结剂分解排出，然后以10℃/min的速度升温到1050℃，保温100min，让原位反应充分进行，最后加热到最终温度1380℃，保温60min，烧结致密化。步骤5：烧结致密化后降温到750℃，通入氮气，压力为0.25Mpa，保温12h，使得烧结致密的零件表面氮化，使表面NbC颗粒氮化生成Nb(C、N)，制得复合材料，制的复合材料的颗粒增强相体积分数为37％，复合材料表面硬度HRA81，磨损试验相对耐磨率是淬火45钢的2.03倍。实施例4步骤1：粉料准备成分粒度质量百分比铌铁粉≤50um74.0石墨粉≤5um5.0钼铁粉≤70um1.0铬铁粉≤50um1.0铁粉≤20um19.0步骤2：在球磨机中进行球磨，球磨时间为24h，球磨机的转速为200r/min。步骤3：球磨好的粉末与石蜡混合，然后过筛，在压力机中压制成零件压坯，压制压力为360MPa，保压时间30s。步骤4：将压制好的零件放入真空烧结炉中烧结，先以10℃/min的速度加热到550℃，保温30min，将粘结剂分解排出，然后以10℃/min的速度升温到1050℃，保温100min，让原位反应充分进行，最后加热到最终温度1400℃，保温60min，烧结致密化。步骤5：烧结致密化后降温到750℃，通入氮气，压力为0.25Mpa，保温6h，使得烧结致密的零件表面氮化，使表面NbC颗粒氮化生成Nb(C、N)，制得复合材料，制的复合材料的颗粒增强相体积分数为43％，复合材料的表面硬度HRA83，磨损试验相对耐磨率是淬火45钢的2.52倍。以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。当前第1页1 2 3