[发明专利]基于氧化物的铁基复合中间合金及其制备方法和应用

说明书

本发明为基于氧化物的铁基复合中间合金及其制备方法和应用。该中间合金由氧化物组份和基粉制成；其中，基粉为铁粉或铁基合金粉；氧化物组份与铁粉或铁基合金粉的质量比例为1:1～1:7；所述氧化物组份包括刚玉粉、铝矾土、硅微粉、氧化硼、氧化铝、氧化钇、氧化钛和氧化锆中的两种或多种。利用本发明生产的产品不仅性能优异，而且所述的氧化物原料可采用铝合金、钛合金等生产的废渣，对于节省资源、保护环境有利。

技术领域

本发明涉及复合新材料技术领域，具体涉及基于氧化物的铁基复合中间合金及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济的发展、工业技术的进步和市场需求的增长，高性能钢铁材料越来越受到人们的重视，其在先进制造、建筑、航空、航天、汽车、能源、海洋工程和国防军工等行业领域具有广阔的应用前景。

目前制备高性能钢铁材料的方法主要有：合金化法、热处理法、表面强化法和粉末冶金法等。上述的制备方法都不同程度地提高了钢铁材料的性能，都有各自的适用范围，在发展高性能钢铁材料方面起到了显著的推动作用。合金化法改善钢的性能虽然十分有效，但它很难在保持低成本的情况下，同时提高合金钢的强度和韧性。另外，当合金元素加入量高时，易导致钢的焊接性变差。而且有些合金元素价格昂贵，使生产成本增高。对于目前的钢铁材料而言，热处理仍是一种主要的提高材料性能的方法，但它改善材料性能的程度随其中合金元素的种类与加入量发生很大变化。需要注意的是，当工件的结构比较复杂、尺寸比较大时，淬火冷却过程中很容易产生残余应力和裂纹。如何降低应力和裂纹产生的敏感性显得十分重要。表面强化方法仅能提高钢铁材料表面的性能，不能实现从内到外整体性能的提高。粉末冶金法无法完全消除产品内部的空隙，导致其力学性能下降，而且难以生产大型产品，压模成本也较高。

由弥散强化的机理可知，稳定性高的第二相粒子(如：氧化物、氮化物等)具有很好的弥散强化效果，而且，在粒子种类不变的条件下，其尺寸愈小，弥散程度愈高，那么强化效果也愈好。如果在钢熔炼的过程中，引入细小的氧化物微粒，一方面，它们可作为钢液凝固和相变的异质形核核心，故能细化晶粒，起到细晶强化的作用；另一方面，这些细小的氧化物微粒在与钢液接触的过程中，其中已有的夹杂物以及溶解的气体原子(如：[O]、[N]、[H])会依附于这些氧化物微粒长大，易于上浮到钢液表面形成钢渣被排除，从而有助于进一步改善钢的冶炼质量。第三，弥散分布于钢中的细小氧化物颗粒，由于硬度高，可作为硬质点，还能起到良好的弥散强化作用。但是，氧化物与钢基体相比密度较小，和钢基体熔液之间的浸润性差，并且其超细微粒易于团聚。因此，现有方法很难直接将氧化物超细微粒加入到钢基体熔液中。

发明专利CN104630613B、CN104630605B、CN104611620A、CN109385575A、CN109576559A和CN109402489A叙述了分别将以氧化铝、碳化硅、锂长石或钠长石等为主的陶瓷粉末加入废钢中熔炼，待陶瓷粉末和废钢完全熔化，液相陶瓷和钢液相互混合，冷却后即得到陶瓷增强的钢基或铁基复合材料。

但根据上述专利文件提供的技术数据看，存在如下问题：

1.浇铸的钢种只涉及铸态、锻态或轧态，没有进一步的深加工处理，局限于比较粗放的产品，故无法满足对微观组织和性能要求高的产品的需求。

2.从其提高材料耐磨性的设想出发，钢基体的碳含量不应太低，否则因钢基体太软也容易导致工件过早失效。但上述专利文件提供的金相图片显示有大量粗大魏氏铁素体组织析出，证明其中的碳含量属于中低碳范畴，所以钢基体软不耐磨，故制备的工件性能不会太好。

3.上述专利文件提供了较高的硬度等数据，但是，陶瓷增强的钢基或铁基复合材料的耐磨性不能仅用一个硬度指标反映，它需要陶瓷颗粒与钢基体的有机匹配来体现。如果陶瓷颗粒尺寸较大，很容易在使用过程中剥落。

4.上述专利文件提供的技术资料并未证明氧化物颗粒确实加入到钢中；