[发明专利]一种原位TaC颗粒与铁基非晶合金协同强化中高锰钢基复合材料及其制备方法

说明书

一种原位TaC颗粒与铁基非晶合金协同强化中高锰钢基复合材料及其制备方法，其主要制备过程：将钽(Ta)粉和炭黑或石墨(C)粉混合，高能球磨后得到高反应活性的Ta‑C中间相合金粉体；再利用高能球磨使中间相合金颗粒表面包覆镍层；再加入铁粉和锰粉，再进行高能球磨，并使部分铁粉和锰粉达到纳米尺度，然后利用高压压制得到致密块体坯料；将坯料放入真空双室热处理炉中进行真空烧结，烧结完成后快速气冷，得到最终所需的复合材料。该复合材料表现出超高的弹性模量、强度、硬度及良好的塑韧性，且工艺简单、易于规模化，适用于开发在高温、高应力、硬磨料磨损等工况下具有长使役寿命的齿轮、轴承、连杆、衬板、轧辊、刀具、模具等产品。

技术领域

本发明涉及一种钢铁基金属复合材料，特别涉及一种原位TaC颗粒与铁基非晶合金协同强化中高锰钢基复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，非晶合金材料的研究已成为超高力学性能材料及软磁性材料等领域的研究热点之一。非晶合金材料(又称金属玻璃)虽然属于一种亚稳态材料，但只有在特定条件下才能转变成稳定晶态结构，因此可以长期保持其稳定非晶态。与其同组分晶态相相比，非晶合金具有更为优异的力学性能(比如硬度、强度、耐磨性、耐蚀性及软铁磁性等)，因此其应用潜力巨大。目前国内外研究的非晶合金体系主要有Fe基、Co基、Ni基、Ti基、Zr基、Cu基、Mg基、La基等，但普遍存在产品尺寸小、脆性高、生产成本高、装备及工艺条件要求高等问题，大大限制了相关材料的实际应用范围。中国专利(CN106282849)公开了一种铜模铸造法制备非晶复合结构钢的方法(材料配方：C 0.02～0.2％；Mn 13％～16％；Si 3％～5％；Cr10％～12％；稀土Re 0～2％，其余为Fe元素)，制备的复合结构钢具有较好的力学性能(断裂强度在2430～3280MPa，断裂应变在12.64～26.96％)，但要其作为一种结构材料来使用，其屈服强度明显偏低(400～500MPa)，易在较低的工作应力下发生塑性变形，所以难以发挥其高断裂强度的优点。另外，该专利在铸造过程是采用铜模获得快速冷却速率，因此该方法难以获得较大尺寸的复合样品(通常直径在几个毫米以内)，因此也限制了其实际应用范围。中国专利(CN106282848A)公开了一种Fe_aAl_bGa_cY_3-dV_dIn_xCo_yB_zSi_r(其中a，b，c，d，x，y，z，r为原子百分比，70≤a≤76，3≤b≤5，c的值为0或2，0≤d≤3，0≤x≤1.86，8≤Co≤10，z的值为4或8，0≤r≤3)铁基非晶合金复合材料，其制备方法为粉末冶金法，获得了良好的力学性能(致密度达到98.7％，最高强度高达2080MPa，饱和磁感应强度达到Bs＝1.73T)，其制备方法主要采用超长时间高能球磨(球磨时间150h)获得铁基非晶粉末，再通过等离子放电烧结成块体(烧结压力500MPa，烧结温度950℃)。该专利没有公开其具体韧性指标及屈服强度等性能指标，但是由于其组织没有超高硬质增强相，因此可以判断其屈服强度及弹性模量都不会太高。已报道的铁基非晶复合材料的专利中，均是通过铜模浇铸等方式以实现快速凝固得到非晶组织，且该方法无法实现较大尺寸样品，而在力学性能指标方面材料获得的屈服强度通常只有500MPa左右，无法达到作为高承载结构件的要求，因此其应用大多只适用于作为变压器用软铁磁性铁芯带材(工业上，通常采用对铁基合金液体进行快速凝固，再进行轧制成带材)。而作为软铁磁材料，其对材料强度指标要求并不高，因此也没有充分发挥铁基非晶材料所具有的高强度特性。