[发明专利]铁基复合材料及铁基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种原位(Nb，V)C增强铁基复合材料及其制备方法。

背景技术

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。

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

针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种基体强化效果好、且能兼顾耐磨性、硬度、铸造性能和切削加工性能的铁基复合材料，本发明的目的之二是提供一种优化改进的铁基复合材料的制备方法。

本发明的目的之一通过以下技术方案来实现：

一种铁基复合材料，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％。

具体地说，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％。

进一步地，其中Nb与V的原子数比范围为0.6∶1～1∶0.6，协同增强作用明显，可以获得较好的基体强化效果。当Nb与V的原子数比为1∶1时，碳化物固溶体(Nb，V)C中的Nb、V原子可以实现最大的1∶1置换固溶，能产生更强的固溶强化作用，从而获得最佳的基体强化效果。

进一步地，所述铁基复合材料碳化物固溶体(Nb，V)C增强相的体积百分数为5～12％。若体积分数在5％以下时，形成的碳化物增强相集中在晶界上，呈断续网状分布，不利于发挥增强相的作用；超过12％以上时，钢液的流动性就会大大降低，浇注相当困难，铸件难以成型，同时碳化物颗粒严重聚集长大，分布极不均匀，材料的脆性增大，耐磨性能也降低。

进一步地，所述碳化物固溶体(Nb，V)C增强相还可包括热处理过程中析出的NbC和VC的碳化物固溶体(Nb，V)C的微小颗粒。

在本发明的铁基复合材料中，所述铁基体以铁为主要元素组成，也可根据需要，含有适量的碳和少量的合金元素，如钼、铬、镍等，C的含量一般不超过0.5％。

与现有技术相比，本发明的铁基复合材料的有益效果是：由于本发明设计采用了合适含量的Nb和V作为铁基体的增强相元素，在铁基体中形成了原位合成的NbC和VC的碳化物固溶体(Nb，V)C增强相，其中碳化物固溶体(Nb，V)C中的Nb、V原子可以实现置换固溶，合理、有效地利用了NbC和VC的协同增强作用，从而使基体得到有效的强化。

而且，本发明铁基复合材料较好地兼顾了材料的铸造性能和切削加工性能；同时又具有较高的强度、塑性和硬度；避免了已有技术中金属基复合材料普遍存在的脆性大、难以成型、铸造性能差和不易切削加工等缺点，从而能够在工程上获得更为广泛的应用，尤其适用于形状复杂零件的制备。

对铁基复合材料进一步进行热处理，则由于Nb、V在热处理过程中可以析出细小的二次碳化物，且抑制基体晶粒长大，还能进一步提高铁基复合材料的强度和塑性。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现：

一种上述的铁基复合材料的铸造制备方法，依次包括以下步骤：

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；其中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，且包含烧损量在内；