本发明涉及一种cbn弥散增强工具钢复合材料及其制备方法和应用，属于冶金复合材料领域。
背景技术：
1、传统的搅拌头主要选用工具钢加工而成，成本低，易加工，综合性能良好，性价比高。搅拌头的工作是通过与工件摩擦、搅拌作用产热和使金属塑性变形，所以能用来制造搅拌头的材料应具有良好的抗磨损能力和耐高温性等，另外还要求搅拌头材料在任何温度下都不会与工件发生化学反应。
2、当采用搅拌摩擦焊(fsw)技术焊接熔点较低的铝合金和镁合金时，搅拌头与工件界面温度可达到500℃左右的高温。因此，在利用搅拌头焊接铝合金时，受到焊接热循环的作用，工具钢的力学性能会逐渐弱化，耐磨性下降，焊接薄板铝合金时几百米即出现较为严重的磨损和断裂；厚板焊接时，搅拌头的受力更大，寿命更短，需要频繁更换焊接工具。
3、立方氮化硼(cbn)具有仅次于金刚石硬度，具有优异的耐磨性、热稳定性和化学惰性，非常适合制备搅拌头材料，然而立方氮化硼作为惰性材料，其化学性质非常稳定，表面自由能很低，如果直接采用cbn粉体和工具钢粉末烧结而成的搅拌头材料，cbn颗粒和工具钢基体的界面结合比较困难，烧结体存在的空隙在晶界处的集中分布造成cbn、基体之间的弱连接，在高温焊接过程中易产生微裂纹，这些微裂纹的扩展是搅拌头断裂和寿命低的重要原因。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，解决现有技术中高温焊接时搅拌头断裂和寿命低的问题。
2、本发明的第二个目的在于提供一种cbn弥散增强工具钢复合材料，使得工具钢具有更好的塑性、优异的耐磨性和较高的高温强度。
3、本发明的第三个目的在于提供一种cbn弥散增强工具钢复合材料的应用。
4、为了实现以上目的，本发明的cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法所采用的技术方案为：
5、一种cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
6、(1)将工具钢粉末和触媒材料进行机械合金化处理，得到预处理合金粉末；
7、(2)将纳米立方氮化硼与预处理合金粉末均匀混合，得到混合物，然后将混合物进行放电等离子体烧结，得到工具钢复合材料。
8、本发明首先将工具钢粉末和触媒材料进行合金化处理，形成固溶体，获得颗粒细小、结构精细的合金粉末，使得触媒材料均匀的分布在合金基体中，然后将合金粉末与纳米立方氮化硼混合均匀，通过触媒材料的催化作用，促进立方氮化硼熔融再结晶，进而在合金基体中产生弥散分布的纳米尺寸cbn微晶，对合金强度起到了强化效应，最后进行烧结得到工具钢复合材料。
9、在等离子烧结工艺条件下，烧结温度低，烧结时间短，可获得细小、均匀的组织，能够提高材料的强度和硬度，而且不会降低材料的塑性和韧性。而且在烧结过程中，纳米cbn与熔融触媒金属相接触的那一层cbn结构被转变为活性基元，随着烧结的不断进行，这些基元成核不断长大，从而形成与工具钢基体材料冶金结合的界面，同时不会对工具钢塑性性能产生明显的影响。
10、因此，该制备方法制得的的纳米cbn弥散增强工具钢材料具备极少的空隙和较大的纳米cbn晶粒密度，使得该工具钢具有更好的塑性、优异的耐磨性和较高的高温强度。
11、优选地，步骤(1)中所述预处理合金粉末中触媒材料的摩尔百分比为3～5％。
12、优选地，所述工具钢粉末的粒径为10～100μm。该粒径范围的工具钢粉末与触媒材料的接触更加充分，促进触媒材料在工具钢粉末中的均匀分布。
13、优选地，所述触媒材料为锂、镁、钙中的一种或几种的混合。这三种触媒材料均能对立方氮化硼的生长起到催化作用，促进cbn微晶的熔融再结晶。
14、优选地，步骤(2)中所述混合物中纳米立方氮化硼的摩尔百分比为10～20％。混合物中纳米立方氮化硼与预处理合金粉的摩尔百分比之和为100％。
15、优选地，所述放电等离子体烧结的烧结压力为30～100mpa，烧结温度为1000～1500℃。利用放电等离子体烧结有利于降低混合粉末的烧结温度，同时低电压、高电流能使混合粉末快速烧结致密。
16、优选地，所述放电等离子体烧结的时间为20～50min。
17、本发明的cbn弥散增强工具钢复合材料所采用的技术方案为：
18、一种cbn弥散增强工具钢复合材料，采用上述制备方法所制得。
19、本发明的cbn弥散增强工具钢复合材料的应用所采用的技术方案为：
20、一种cbn弥散增强工具钢复合材料的应用，该cbn弥散增强工具钢复合材料可用于制作搅拌摩擦焊用搅拌头、切削刀具。
21、本发明的cbn弥散增强工具钢复合材料制作的搅拌头耐磨、焊接性能好。
1.一种cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述预处理合金粉末中触媒材料的摩尔百分比为3～5％。
3.根据权利要求1所述的cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述工具钢粉末的粒径为10～100μm。
4.根据权利要求2所述的cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述触媒材料为锂、镁、钙中的一种或几种的混合。
5.根据权利要求1所述的cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述混合物中纳米立方氮化硼的摩尔百分比为10～20％。
6.根据权利要求1所述的cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述放电等离子体烧结的烧结压力为30～100mpa，烧结温度为1000～1500℃。
7.根据权利要求6所述的cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述放电等离子体烧结的时间为20～50min。
8.一种cbn弥散增强工具钢复合材料，其特征在于，该复合材料是采用如权利要求1-7任一项所述的cbn弥散增强工具钢复合材料的制备方法制得的。
9.一种如权利要求8所述的cbn弥散增强工具钢复合材料的应用，其特征在于，该cbn弥散增强工具钢复合材料可用于制作搅拌摩擦焊用搅拌头、切削刀具。