本发明涉及的是一种复合材料技术领域的铁基材料，具体涉及一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料及其制备方法。
背景技术：
钢铁材料时最常用的金属材料，具有优良的机械性能，还可以添加各种合金元素(如镍、铜、铬、锰、钨、钼等)来提高其性能，并且可以很方便地通过热处理来改变其组织和改善机械性能，以便适应不同工况条件的要求。近年来重点研究领域之一是向钢铁材料中添加各种耐磨颗粒，以提高其比强度、比刚度和耐磨性。
al2o3具有高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性，即使在高温工况条件下，依然能保持良好的性能，al2o3颗粒增强铁基复合材料比较充分地利用了钢铁材料和al2o3材料的特点，综合性能优良。
但钢铁材料与al2o3颗粒材料的密度差较大，界面润湿性较差，一般需要采取粉末冶金方法或其他特殊工艺措施，才能克服两者密度差大和润湿性差大的问题，影响了铁基复合材料的性能。同时采用外加颗粒的制备工艺复杂，成本较高，不利于推广应用，且本公司在研制al2o3颗粒增强铁基复合材料时发现，al2o3颗粒的含量在体系中所占比例过大时，生成的材料表面出现白色颗粒，表明al2o3颗粒含量过高则无法与铁基良好的结合，影响材料的均一性，且al2o3颗粒的铁基材料的性能需要进一步提高。
本发明成在al2o3颗粒增强铁基材料中加入tic、mgf2颗粒来改善al2o3颗粒铁基材料的性能，提高了al2o3颗粒增强铁基复合材料的强度、耐磨性、韧性。该铁基复合材料刚度好、耐磨性高、价格低，可应用于飞机、车辆等行业制造摩擦材料和制动材料。
技术实现要素：
发明目的：提供一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料，无需采用特殊制备方法，可制备强度、耐磨性、韧性良好的铁基复合材料。
技术方案：本发明制备了一种原位混杂颗粒增强铁基复合材料，由以下质量百分数的组分组成：8-10％al2o3、2-4％tic、1-2％c、0.2-0.5％mgf2、0.04-0.05％cu、0.01-0.02％ni，余量为fe。
优选地，原位混杂颗粒增强铁基复合材料，所述复合材料的组分为9％al2o3、3％tic、1％c、0.4％mgf2、0.05％cu、0.01％ni，余量为fe。
原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，包含以下步骤：(1)将无水氯化铝溶液和铝微粉按照摩尔比5-9:1混合，在200℃条件下加热2-3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液；(2)将氯化铝母液分散于0.5mol/l乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将得到的白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得氢氧化铝与铝微粉的混合物；
(3)将步骤(2)中制备的氢氧化铝与铝微粉混合物与mgf2、ti粉、c粉、cu粉、ni粉、fe粉按照一定比例进行配比，混合，压制成型，高温烧结，最终得到8-10％al2o3、2-4％tic、1-2％c、0.2-0.5％mgf2、0.04-0.05％cu、0.01-0.02％ni，余量为fe组成的铁基复合材料。
进一步地，原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中无水氯化铝与铝微粉的摩尔比为6:1。
步骤(1)中将无水氯化铝与铝微粉按照5-9:1混合反应后，可以控制氢氧化铝与铝微粉混合后的粒径，颗粒粒径大小均匀，粒径小于50nm，当无水氯化铝与铝微粉摩尔比为6:1，得到的氢氧化铝与铝微粉晶粒小于10nm。控制氢氧化铝与铝微粉的粒径可解决原位生成al2o3颗粒粒径大小难以控制，最终生成的复合材料的耐磨性、韧性无法控制、材料表面不平整的缺点。
本发明所述的原位混杂颗粒增强铁基复合材料的制备方法，高温烧结的过程如下：烧结温度为300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，高温烧结升温速度为20℃/min。
氢氧化铝与铝微粉在高温烧结阶段，铝微粉在温度为300-750℃作为还原剂，还原因氢氧化铝脱水氧化的fe粉，c粉在温度为750℃-900℃阶段，还原已被氧化的fe粉，使得fe粉的被氧化为feo能够稳定存在。
加入mgf2除了可以增加复合材料的韧性，还可以使得原位生成tic更加的均匀。
微量cu与微量ni有利于tic颗粒的形成。
在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h有均温和防止升温过快的作用，防止复合材料生成过程中颗粒原位反应不充分。
除非另有说明，本说明书中的“％”均为“质量百分比”。
发明原理：
(1)本发明利用原位生成al2o3颗粒、tic颗粒方法制备颗粒增强铁基复合材料。
(2)加入铝微粉与c粉在不同温度阶段维持因氢氧化铝脱水氧化的fe粉以feo形式存在，与氢氧化铝脱水形成的al2o3颗粒结合生成铁铝尖晶石(feal2o4)。
(3)mgf2晶体加入复合材料，使得原位生成tic颗粒更加均一。
有益效果：
(1)本发明制备的原位混杂颗粒增强铁基复合材料，解决了al2o3颗粒与铁基材料密度差大，界面润湿性差，传统的铸造方法难以将两者结合的问题。
(2)利用无水氯化铝溶液和铝微粉混合物制备氢氧化铝与铝微粉混合物，该混合物粒径小于50nm，解决了al2o3颗粒原位生成过程中粒径不可控的缺点。铝微粉可在高温烧结温度为300-750℃过程中，还原被氧化的fe粉，加入c粉，在高温烧结温度为750℃-900℃过程中，还原被氧化的fe粉，使得铁铝尖晶石能稳定的形成，晶粒内部分布均匀，增加了复合材料的硬度和耐磨性。
(3)加入mgf2颗粒增加了复合材料的韧性，同时mgf2晶体本身使得ti粉与c粉在原位反应过程中，生成的tic颗粒反应可控，不被界面排斥，提高了铁基复合材料耐磨性、耐高温、韧性。
具体实施方式
一、原料和仪器设备
1、原料
ti粉(300目，购自清河县艾盾喷涂焊材有限公司)、fe粉(100目)、c粉(约1μm，购自青岛海硕石墨有限公司)、自制的氢氧化铝与铝微粉混合物、mgf2(600目，购自济南英出化工科技有限公司)、cu(200-300目，购自南宫市原合金材料有限公司)、ni粉(300目，购自成都华寅粉体科技有限公司)，本发明所用的其他原料均为市售所得。
2、仪器设备
成型设备：yh-10型混料机、100吨压力机、1650度管式保护气氛实验电炉、精密电子天平。
检测设备：hr-150a型洛氏硬度计、ml-10型磨料磨损试验机。
二、性能测试方法
1、硬度测定
参照gb/t203.1-2009方法。
2、耐磨性测试
试样尺寸：4mm×4mm×5mm，磨损面为4mm×4mm。试验所用砂纸为600目氧化铝耐水砂纸，压力为90n，用分析天平测量质量，精度为0.1mg。先将试样进行跑合磨损300r，称量其质量，然后正式磨损1500r，再称一次质量，两次质量之差为磨损失重，试样的相对耐磨性ε为基准试样的磨损量(mg)与该试样磨损量(mg)的比值，ε＝基准试样的磨损量/试样磨损量。
三、制备实施例
实施例1：
将无水氯化铝溶液和铝微粉按照摩尔比5:1混合，在200℃条件下加热2-3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液，将氯化铝母液分散于0.5mol/l乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将得到的白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得自制的氢氧化铝与铝微粉的混合物，将自制的氢氧化铝和铝微粉混合物，按一定比例加入到fe粉中，并加ti粉、c粉、mgf2、cu、ni，充分混合后压块、高温烧结成型，高温烧结的过程如下：烧结温度为300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，烧结温度控制升温速度20℃/min，得到由8％al2o3、2％tic、1％c、0.2％mgf2、0.04％cu、0.01％ni，余量为fe组成的复合材料。
实施例2：
无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为6:1，复合材料由9％al2o3、3％tic、1％c、0.4％mgf2、0.05％cu、0.02％ni，余量为fe组成，其余同实施例1。
实施例3：
无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为6:1，复合材料由10％al2o3、4％tic、1％c、0.3％mgf2、0.04％cu、0.01％ni，余量为fe组成，其余同实施例1。
实施例4：
无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为7:1，复合材料由10％al2o3、4％tic、2％c、0.5％mgf2、0.05％cu、0.02％ni，余量为fe组成，其余同实施例1。
实施例5：
无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为8:1，复合材料由8％al2o3、4％tic、2％c、0.5％mgf2、0.05％cu、0.02％ni，余量为fe组成，其余同实施例1。
实施例6：
将无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为9:1，复合材料由10％al2o3、2％tic、1％c、0.3％mgf2、0.04％cu、0.01％ni，余量为fe组成，其余同实施例1。
实施例7：
将无水氯化铝溶液和铝微粉摩尔比为8:1，复合材料由9％al2o3、3％tic、2％c、0.2％mgf2、0.05％cu、0.01％ni，余量为fe组成，其余同实施例1。
对比例1：
c粉，fe粉充分混合后压块、高温烧结成型，高温烧结的过程如下：烧结温度为300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，烧结温度控制升温速度20℃/min，得到由2％c和fe组成的复合材料。
对比例2：将无水氯化铝溶液，在200℃条件下加热2-3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液，将氯化铝母液分散于0.5mol/l乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得自制的氢氧化铝，将自制的氢氧化铝晶体，与c粉、fe粉混合，得到由9％al2o3、2％c和fe组成的复合材料，其余同对比例1。
对比例3：
通过无水氯化铝溶液与铝微粉混合物摩尔比为7:1，在200℃条件下加热2-3h，反应完全后，过滤得到氯化铝母液，将氯化铝母液分散于0.5mol/l乙醇溶液中缓慢加入氨水溶液，得到白色沉淀，将得到的白色沉淀过滤、洗涤、烘干，得自制的氢氧化铝与铝微粉的混合物，将自制的氢氧化铝与铝微粉混合物，与c粉、fe粉混合，压块、高温烧结成型，高温烧结的过程如下：烧结温度为300℃-1400℃，其中在350℃保持0.5h，500℃保持0.5h，750℃保持0.5h，900℃保持0.5h，1300℃保持3h，烧结温度控制升温速度20℃/min，得到由10％al2o3、2％c和fe组成的复合材料。
对比例4：
无水氯化铝溶液和铝微粉混合物摩尔比为8:1，得自制的氢氧化铝与铝微粉混合物，与ti粉、fe粉、c粉混合，得到由9％al2o3、3％tic、2％c和fe组成的复合材料，其余同对比例3。
对比例5：
ti粉、fe粉与c粉混合，得到由3％tic、2％c和fe组成的复合材料，其余同对比例1。
对比例6：
ti粉、fe粉、c粉、mgf2、cu、ni混合，得到由3％tic、2％c、0.2％mgf2、0.05％cu、0.01％ni和fe组成的复合材料，其余同对比例1。
对比例7：
将无水氯化铝溶液和铝微粉混合物摩尔比为8:1，得自制的氢氧化铝与铝微粉混合物，与ti粉、fe粉、c粉、mgf2混合，得到由9％al2o3、3％tic、2％c、0.2％mgf2和fe组成的复合材料，其余同对比例3。
四、性能测定
由表1结果可以看出，通过无水氯化铝溶液和铝微粉混合物的制备，控制al2o3颗粒粒径大小在50nm以下，得到的复合材料硬度增强效果越好，因为细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性，同时铝微粉和c粉在不同阶段提供了还原气氛，形成的铁铝尖晶石更稳定。通过加入tic颗粒，可以改善单独al2o3颗粒对铁基复合材料的性能改善较为单一的缺陷，从对比实施例6结果可以看出，单独的tic颗粒制备的铁基复合材料耐磨性较差。引入mgf2颗粒，不仅因mgf2颗粒作为弥散颗粒增加了复合材料的韧性，且mgf2颗粒具有控制tic原位反应的速度和tic颗粒的大小，使得复合材料更加均一，性能更加优异。通过实施例7和对比例7可以看出，微量cu粉与ni粉的加入，可以使得tic原位生成中反应更加均一，材料的硬度和相对耐磨性更好。
表1不同实施例测定结果