铁基复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种铁基复合材料的制备方法，利用原位合成增强相和液态成型相结合，以低碳废钢、钒铁、铌铁、石墨增碳剂为原料，在熔融钢液中加入碳化物形成元素Nb、V，在高温下原位反应生成弥散分布在铁基中的(Nb,V)C碳化物固溶体复合材料。本发明设计了以NbC、VC的碳化物固溶体(Nb,V)C作为铁基复合材料的增强相，合理利用了两种碳化物相互固溶强化的协同增强作用，取得了比NbC为增强相更好的基体强化效果，较好地兼顾了铁基复合材料的耐磨性、硬度、铸造性能和切削加工性能。
【专利说明】铁基复合材料的制备方法
[0001]本发明是:申请号为201010617087.9，申请日为2010.12.31，名称为“铁基复合材
料及铁基复合材料的制备方法”的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法，尤其涉及一种原位(Nb，V) C增强铁基复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0003]MC型碳化物增强金属基复合材料具有高比强度、高比模量、高耐磨性和耐高温等优点，是目前国内外耐磨复合材料的一个重点研究方向。MC型碳化物增强金属基复合材料中的MC型碳化物增强相主要为IVA~VIA族元素的碳化物，这些碳化物热力学稳定，具有高熔点、高硬度，可有效地强化金属基体。然而，不同增强相元素对不同基体的增强效果差异很大。目前公开的大部分研究均是着眼于金属基复合材料硬度或耐磨性的改善，而金属基复合材料在铸造性能、切削加工性能、塑性等方面的表现都还不是十分的理想，普遍存在脆性大、难以成型和不易切削加工等缺点，使金属基复合材料的应用范围和领域受到了极大的限制。
[0004]另外，据 申请人:了解，目前金属基复合材料的铸件的制备方法有多种，如铸造法、粉末冶金法、高温自蔓延法等。按其增强相的形成方式主要有外加增强体法和原位合成增强体法两种，其中原位合成增强体法是通过原位铸造法，使碳化物元素在高温熔体发生碳化反应，从而制得具有高强度、高耐磨的增强相复合材料。已公开的大部分原位铸造法只是简单地采用了现有普通碳钢的熔炼、浇注工艺，并没有针对所设计的金属基复合材料的具体特点而采用特定的工艺，热处理工艺复杂，因而，在原料的选择及配比、熔炼及热处理工艺等方面还有改进和优化的空间。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种优化改进的铁基复合材料的制备方法。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案来实现:
[0007]—种铁基复合材料的制备方法，所述铁基复合材料的增强相为由Nb、V和C原子原位合成的碳化物固溶体(Nb，V) C，以质量百分数计，所述铁基复合材料含有2.75%~6.60%的Nb和1.50%~3.6%的V和适量的C，所述C的含量至少能保证使所述Nb和所述V均完全生成碳化物，其余固溶于铁基体中的C的含量不超过0.5%，其制备方法包括以下步骤:
[0008]步骤一、根据所述碳化物固溶体(Nb，V) C增强相的组成，计算并称取所需要加入的铌铁合金、钒铁合金、石墨增碳剂和铁基体原料；
[0009]步骤二、将石墨增碳剂加入到中频感应电炉，再将铁基体原料压在石墨增碳剂上通电熔化；[0010]待炉料全部熔清后，先加入铝脱氧，静置片刻并扒渣；然后在钢液处于电磁搅拌的状态下加入粒度为1~5mm的银铁合金、fL铁合金,所述招的加入量为未加银铁合金、钥;铁合金前钢液总质量的0.1~0.15% ；
[0011]加入后用造渣剂覆盖液面，将温度升到1520~1560°C，并保温5~8min ；
[0012]然后将温度升到1600~1650°C，加入稀土硅铁合金进行变质处理或加入铝进行终脱氧，所述稀土硅铁合金的加入量为铌铁合金、钒铁合金加入后钢液总质量的0.2%~
.0.4% ;所述铝在终脱氧时的加入量为铌铁、钒铁合金加入后钢液总质量的0.08~0.10% ；
[0013]然后扒渣出炉浇注；制得铁基复合材料铸件。
[0014]步骤三、对步骤二制得的铁基复合材料铸件进行热处理，其热处理工艺为将铁基复合材料铸件加热至900~950°C并保温1.5~2h后，出炉自然冷却。
[0015]优选的，所述稀土硅铁合金为FeSiRE26。
[0016]优选的，以质量百分数计，所述铁基复合材料用于生成碳化物的C为0.75%~
.1.8%。
[0017]优选的，所述铁基复合材料中Nb与V的原子数比范围为0.6:1~1:0.6。
[0018]优选的，所述铁基复合材料中Nb与V的原子数比为1:1。
[0019]优选的，所述铁基复合材料的碳化物固溶体(Nb，V)C增强相的体积百分数为5~12%。
[0020]优选的，所述铁基体原料为低碳钢、铸造生铁、工业纯铁、低合金钢的一种或多种混合。
[0021]优选的，所述步骤一中，所述石墨增碳剂的加入量以至少保证其与Nb、V完全反应生成NbC、VC,且包含一定烧损量在内，所述增碳剂的烧损量以5%-10%计。
[0022]在所述步骤二中，采用中频感应电炉加热熔融石墨增碳剂、铁基体原料，待石墨增碳剂、铁基体原料全部熔清后，先加入铝脱氧，静置片刻并扒渣，在电磁搅拌的状态下加入粒度为1~5mm的银铁合金、fL铁合金；所述招的加入量为未加银铁合金、fL铁合金前钢液总质量的0.1~0.15%，一方面可以使铌铁合金、钒铁合金在熔体中更加均匀，防止偏析，另一方面使原位合成的(Nb，V) C细小和均匀分布于基体中，提高对基体的强化作用。经预脱氧后，钢中的含氧量大大降低，可最大限度地避免铌、钒合金的氧化，减少钢液中非金属夹杂物的形成，能够更充分地保证原位生成的碳化物颗粒与基体之间的界面有良好的结合。另外，先进行预脱氧可以使钢液可能含有的非金属夹杂物上浮，避免其残留在钢液中。
[0023]本发明在1520~1560°C保温5~8min，是为了原位合成的碳化物颗粒不易长大，同时减少金属液的大量吸气和氧化；本发明在1600~1650°C扒洛出炉烧注是为了使金属液具有良好的流动性，满足成型要求。
[0024]进一步地，所述石墨增碳剂的加入量以至少保证其与Nb、V完全反应生成NbC、VC，且包含一定烧损量在内。
[0025]所述铁基体原料可以是碳素钢、铸造生铁或工业纯铁、低合金钢等，也可以是上述原料的2种及以上按一定配比组成。本发明中，从选材方便的角度考虑，铁基体原料采用低碳废钢。
[0026]本发明利用原位合成增强相和液态成型相结合，以低碳废钢、钒铁、铌铁、石墨增碳剂为原料，在熔融钢液中加入碳化物形成元素Nb、V，在高温下原位反应生成弥散分布在铁基中的(Nb，V) C碳化物固溶体复合材料。由于碳化物固溶体(Nb，V) C中的Nb、V原子可以置换固溶，对基体有一定的强化作用。当Nb与V的原子数比范围为0.6:1~1:0.6，协同增强作用较明显，对基体起到了较好的强化效果，特别当Nb与V的原子数比为1:1时，Nb与V可以实现最大的1:1置换，从而产生更强的固溶强化作用，获得最佳的协同增强效果，使增强相对铁基起到了更好的强化效果，复合材料性能有显著的提高。
[0027]为了获得性能更好的上述复合材料，本发明的制备方法在熔炼工艺和热处理工艺方面还进行了优化。
[0028]首先，通过采用粒度为I~5mm的铌铁和钒铁合金均匀加入到钢液的方法，使原位合成的(Nb，V)C均匀且细小，有利于改善增强相在基体中的均匀分布，提高对基体的强化作用。如果粒度太大，不仅熔化更加困难，而且在钢液中不容易均匀分布，生成的碳化物颗粒易局部聚集长大，对复合材料的性能有较大的不利影响。
[0029]其次，加入铌铁和钒铁合金后将温度先控制在1520~1560°C并保温5~8min，主要是通过电磁搅拌使原位反应的充分进行，同时也限制了碳化物的严重长大，减少金属液的大量吸气和氧化。然后再升温到1600~1650°C出炉，主要是保证钢液具有良好的浇注成型性。
[0030]另外，本发明的制备方法在熔炼工艺方面还采取了预脱氧和变质处理等多种改进措施，上述措施的有效利用，进一步提高了增强相对基体的强化效果。
[0031]预脱氧措施的采用，能够减少铌、钒合金的氧化并有利于钢液中脱氧产物的上浮。
[0032]用稀土硅铁合金进行变质处理主要是进一步降低钢液中的氧含量，另外稀土硅铁变质处理还能改善钢液中非金属夹杂物的分布和形态，起到降低钢液中硫的作用，有利于复合材料性能的提高。此外， 还起到了终脱氧的作用。
[0033]如不采用稀土硅铁合金进行变质处理，也可采用脱氧剂铝进行终脱氧，也能起到相类似的作用。
[0034]最后，对复合材料进行了适当的热处理。充分利用了 Nb、V元素在钢中微合金化的作用，即在热处理过程中固溶于基体中的Nb、V元素与C具强亲和力，生成MC型二次碳化物，弥散分布在基体中，呈球状且尺寸大多在微米级以下，对基体起到弥散强化的作用，同时二次MC型碳化物还可以抑制奥氏体晶粒的长大，进一步细化基体晶粒，使复合材料的强度、塑性大大提高。
[0035]本发明的制备方法通过进一步优化熔炼工艺和适当的热处理，充分发挥了 NbC和VC的碳化物固溶体(Nb，V) C增强相在复合材料中的强化作用，使较低体积分数的碳化物固溶体(Nb，V) C增强相的复合材料仍具有较高的强度、塑性和良好的加工性能，从而大大拓展了复合材料的实际应用范围。可以用于制造机车、汽车等需要有良好耐磨性能和复杂形状的零件。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1:为本发明实施例1制得的原位(Nb，V) C体积分数5%、且Nb和V原子数比为I:1的复合材料金相组织(500倍)。其中，基体为铁素体和极少量的珠光体，(Nb，V)C增强相呈短条状或点状分布在基体中。
[0037]图2:为本发明实施例2制得的原位(Nb，V) C体积分数8%、且Nb和V原子数比为1:1的的复合材料金相组织(500倍)。其中，基体为铁素体和少量的珠光体，(Nb，V)C呈均匀的颗粒状分布于基体中，在铁素体基体中有大量弥散分布的二次碳化物颗粒，十分细小。
[0038]图3:为本发明实施例3制得的原位(Nb，V) C体积分数8%、且Nb与V的原子数比为0.6:1的复合材料金相组织(500倍)。其中，基体为铁素体，(Nb，V)C呈颗粒状和条状分布于基体中，在基体中分布的二次碳化物颗粒，十分细小。
[0039]图4:为本发明实施例4制得的原位(Nb，V) C体积分数8%、且Nb与V的原子数比为1:0.6的复合材料金相组织(500倍)。其中，基体为铁素体和极少量的珠光体，(Nb，V)C呈大块状、片状或颗粒状分布，且不均匀。在铁素体基体中分布有细小的二次碳化物颗粒。
[0040]图5:为本发明实施例5制得的原位(Nb，V) C体积分数12%、且Nb与V原子数比为I:1的复合材料金相组织(500倍)。其中，基体为铁素体和极少量的珠光体，(Nb，V)C呈颗粒状分布于基体中，但颗粒尺寸明显较粗大且不均匀，基体中有大量弥散分布灰色的二次碳化物颗粒，十分细小。
[0041]图6:为本发明的对比例制得的原位NbC体积分数8%的复合材料金相组织(500倍)。其中，基体为铁素体和其上点状碳化物，NbC呈颗粒状分布于基体中，颗粒尺寸明显较粗大且分布不均匀。
【具体实施方式】
[0042]下面实施例中所用的原料形式、商品规格等仅是示例说明，并不限定本发明的保护范围。以下通过本发明的各种实施方式对本发明进行详细说明。
[0043]实施例1:
[0044]一种(Nb，V) C增强铁基复合材料，其增强相为由Nb、V和C原子原位合成的碳化物固溶体(Nb，V) C，以质量百分数计，所述铁基复合材料含有2.75%~6.60%的Nb和1.50%~3.6%的V和适量的C，所述C的含量至少能保证使所述Nb和所述V均完全生成碳化物，其余固溶于铁基体中的C的含量不超过0.5%。
[0045]本例中，选用的原位合成体系中含有铌(Nb)、钒(V)、碳(C)、铁(Fe)等，以质量百
分数计，主要成分为:
[0046]
【权利要求】
1.一种铁基复合材料的制备方法，所述铁基复合材料的增强相为由Nb、V和C原子原位合成的碳化物固溶体(Nb，V) C，以质量百分数计，所述铁基复合材料含有2.75%~6.60%的Nb和1.50%~3.6%的V和适量的C，所述C的含量至少能保证使所述Nb和所述V均完全生成碳化物，其余固溶于铁基体中的C的含量不超过0.5%，其特征在于，其制备方法包括以下步骤: 步骤一、根据所述碳化物固溶体(Nb，V) C增强相的组成，计算并称取所需要加入的铌铁合金、钒铁合金、石墨增碳剂和铁基体原料； 步骤二、将石墨增碳剂加入到中频感应电炉，再将铁基体原料压在石墨增碳剂上通电熔化； 待炉料全部熔清后，先加入铝脱氧，静置片刻并扒渣；然后在钢液处于电磁搅拌的状态下加入粒度为I~5mm的银铁合金、f凡铁合金,所述招的加入量为未加银铁合金、钥;铁合金前钢液总质量的0.1~0.15% ； 加入后用造渣剂覆盖液面，将温度升到1520~1560°C，并保温5~8min ； 然后将温度升到1600~1650°C，加入稀土硅铁合金进行变质处理或加入铝进行终脱氧，所述稀土娃铁合金的加入量为银铁合金、f凡铁合金加入后钢液总质量的0.2%~0.4% ；所述铝在终脱氧时的加入量为铌铁、钒铁合金加入后钢液总质量的0.08~0.10% ； 然后扒渣出炉浇注；制得铁基复合材料铸件； 步骤三、对步骤二制得的铁基复合材料铸件进行热处理，其热处理工艺为将铁基复合材料铸件加热至900~950°C并保温1.5~2h后，出炉自然冷却。
2.如权利要求1所述的铁基复合材料的制备方法，其特征在于:所述稀土硅铁合金为FeSiRE260
3.如权利要求1所述的铁基复合材料的制备方法，其特征在于:以质量百分数计，所述铁基复合材料用于生成碳化物的C为0.75%~1.8%。
4.如权利要求1所述的铁基复合材料的制备方法，其特征在于:所述铁基复合材料中Nb与V的原子数比范围为0.6:1~1:0.6。
5.如权利要求4所述的铁基复合材料的制备方法，其特征在于:所述铁基复合材料中Nb与V的原子数比为1:1。
6.如权利要求1所述的铁基复合材料的制备方法，其特征在于:所述铁基复合材料的碳化物固溶体(Nb，V) C增强相的体积百分数为5~12%。
7.如权利要求1所述的铁基复合材料的制备方法，其特征在于:所述铁基体原料为低碳钢、铸造生铁、工业纯铁、低合金钢的一种或多种混合。
8.如权利要求1所述的铁基复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤一中，所述石墨增碳剂的加入量以至少保证其与Nb、V完全反应生成NbC、VC，且包含一定烧损量在内，所述增碳剂的烧损量以5%-10%计。
【文档编号】C22C33/06GK103866184SQ201410129168
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2010年12月31日 优先权日:2010年12月31日
【发明者】程凤军, 莫俊超, 陈红圣 申请人:南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司