[發明專利]一種鑲嵌原位碳化物顆粒的3D非晶合金網絡增強硼鋼基復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201811254795.3
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN111101074A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 彭建洪;李海琴;李海賓;毛多鷺;楊永瀟;周德華;許珂琳;韓精衛
• 申請（專利權）人: 青海民族大學
• 主分類號: C22C38/12
• 分類號: C22C38/12;C22C38/08;C22C33/02;C22C45/02
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一種鑲嵌原位碳化物顆粒的3D非晶合金網絡增強硼鋼基復合材料及其制備方法，其主要制備過程：將強碳化物單質金屬粉與炭黑或石墨粉混合，高能球磨后低溫煅燒得到高反應活性中間相合金粉體；再利用高能球磨使中間相合金顆粒表面包覆鎳層；再加入鐵粉、硼粉、鉬粉和鎳粉，再進行高能球磨，并使部分鐵粉達到納米尺度，然后利用高壓得到致密塊體坯料；將坯料放入真空雙室熱處理爐中進行真空燒結，燒結完成后快速氣冷，得到最終所需的復合材料。該復合材料表現出超高的彈性模量、強度、硬度及良好的塑韌性，且工藝簡單、易于規模化，適用于開發在高溫、高應力、硬磨料磨損等工況下具有長使役壽命的齒輪、軸承、連桿、襯板、軋輥、刀具、模具等產品。

技術領域

本發明涉及一種鋼鐵基金屬復合材料，特別涉及一種鑲嵌原位碳化物顆粒的3D非晶合金網絡增強硼鋼基復合材料及其制備方法。

背景技術

近年來，非晶合金材料的研究已成為超高力學性能材料及軟磁性材料等領域的研究熱點之一。非晶合金材料(又稱金屬玻璃)雖然屬于一種亞穩態材料，但只有在特定條件下才能轉變成穩定晶態結構，因此可以長期保持其穩定非晶態。與其同組分晶態相相比，非晶合金具有更為優異的力學性能(比如硬度、強度、耐磨性、耐蝕性及軟鐵磁性等)，因此其應用潛力巨大。目前國內外研究的非晶合金體系主要有Fe基、Co基、Ni基、Ti基、Zr基、Cu基、Mg基、 La基等，但普遍存在產品尺寸小、脆性高、生產成本高、裝備及工藝條件要求高等問題，大大限制了相關材料的實際應用范圍。中國專利(CN106282849)公開了一種銅模鑄造法制備非晶復合結構鋼的方法(材料配方：C 0.02～0.2％； Mn 13％～16％；Si 3％～5％；Cr10％～12％；稀土Re 0～2％，其余為Fe元素)，制備的復合結構鋼具有較好的力學性能(斷裂強度在2430～3280MPa，斷裂應變在12.64～26.96％)，但要其作為一種結構材料來使用，其屈服強度明顯偏低 (400～500MPa)，易在較低的工作應力下發生塑性變形，所以難以發揮其高強度的優點。另外，該專利在鑄造過程是采用銅模獲得快速冷卻速率，因此該方法難以獲得較大尺寸的復合樣品(通常直徑在幾個毫米以內)，因此也限制了其實際應用范圍。中國專利(CN106282848A)公開了一種Fe_aAl_bGa_cY_3-dV_dIn_xCo_yB_zSi_r(其中a，b，c，d，x，y，z，r為原子百分比，70≤a≤76， 3≤b≤5，c的值為0或2，0≤d≤3，0≤x≤1.86，8≤Co≤10，z的值為4或8，0≤r≤3) 鐵基非晶合金復合材料，其制備方法為粉末冶金法，獲得了良好的力學性能(致密度達到98.7％，最高強度高達2080MPa，飽和磁感應強度達到Bs＝1.73T)，其制備方法主要采用超長時間高能球磨(球磨時間150h)獲得鐵基非晶粉末，再通過等離子放電燒結成塊體(燒結壓力500MPa，燒結溫度950℃)。該專利沒有公開其具體韌性指標及屈服強度等性能指標，但是由于其組織沒有超高硬質增強相，因此可以判斷其屈服強度及彈性模量都不會太高(大量相似工藝報道的結果，屈服強度一般在400～500MPa)，無法用作高載、高應力工況下的力學結構部件；另外，等離子放電燒結工藝無法滿足大尺寸及異形樣品的制備，從而也大大限制了其應用范圍。已報道的鐵基非晶復合材料的專利中，均是通過銅模澆鑄等方式以實現快速凝固得到非晶組織，且該方法無法實現較大尺寸樣品，而在力學性能指標方面材料獲得的屈服強度通常只有500MPa左右，無法達到作為高承載結構件的要求，因此其應用大多只適用于作為變壓器用軟鐵磁性鐵芯帶材(工業上，通常采用對鐵基合金液體進行快速凝固，再進行軋制成帶材)。而作為軟鐵磁材料，其對材料強度指標要求并不高，因此也沒有充分發揮鐵基非晶材料所具有的高強度特性。