铁基复合材料的制备技术及研究进展

铁基复合材料的制备技术及研究进展 【摘要】介绍了铁基复合材料的制备方法及工艺，阐述了铁基复合材料当前的发展状况，指出了当前研究中存在的主要问题，并探讨了铁基复合材料在未来的发展方向。 【关键词】复合材料；制备方法；制备工艺 中图分类号：TB33文献标识码A文章编号1006-0278（2015）08-148-01 一、前言 现代工业的进步对工程材料提出了更高要求，普通单一性质的材料难以满足工业发展需要。复合材料将各种单一材料的优点集中在一起，往往具有高强度、高模量和密度小等一系列优点。其中金属复合材料因具有较高的强度，良好的导热导电和抗磨损性能等特点，而且尺寸稳定性好，不易老化，可在更高温度下工作，受到了材料工作者广泛关注。 钢铁是国民经济中最常应用的机械工程材料，提高和改善钢铁材料性质具有重要价值。将具有高硬度、高强度、高耐磨的颗粒增强体加入到钢铁基体中，可形成钢铁基复合材料，它在提高弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能的基础上，还能降低材料密度，可用于制备恶劣工况条件下使用的零件，如汽车发动机、车床刀具和水泥等行业的高耐磨零件上。 二、铁基体复合材料的制备技术 （一）粉末冶金法 粉末冶金法是开展研究最早的铁基体复合材料制备工艺。1975年，应用粉末冶金法制取了TiC颗粒增强钢铁基复合材料，该研究发现碳化钛颗粒的加入大幅提高了材料力学性能，材料的力学性能与组分含量有着极为密切的联系。当碳化钛颗粒增加，含C量减少时，烧结后复合材料的硬度、耐磨性能和强度将增加。这表明碳化钛颗粒量的多少决定了材料的力学性能。丁义超等利用原位反应合成了碳化钒颗粒增强铁基复合材料。 （二）铸造法 铸造法是一种优良的材料成型方法，具有工艺简单、成本低廉，易实现工业化生产及组织致密度高等特点。1990年，应用搅拌铸造法制备了碳化钛铁基复合材料。其工艺原理为：外加TiC陶瓷颗粒增强相到铁液中，并用电磁搅拌，使TiC陶瓷颗粒增强相均匀分布到复合材料中。该研究指出复合材料的性能跟铁液成分、外加TiC陶瓷颗粒增强相的体积分数和尺寸、电磁搅拌混合温度与时间及冷却速度等有关，指出复合材料的耐磨损性能跟碳化钛陶瓷颗粒的体积分数成正比关系，与陶瓷颗粒尺寸和颗粒间距成反比关系。 原位反应铸造法在铸造过程中反应合成颗粒增强相，解决了基体与增强相之间润湿性差、颗粒分散不均及材料性能不稳定的问题，这些问题成了材料工作者的研究热点。 （三）高温自蔓延法 高温自蔓延工艺越来越受到关注，其最大的特点是利用反应过程中释放出的化学能来合成材料。经临界点燃后，依靠反应热能继续推进燃烧反应而不需要额外补充能量，因其工艺过程简单，能耗低，生产率较高及产品纯度很高而受到研究者追捧。 英国的材料科学家采用高温自蔓延工艺制备了铁基复合材料，碳化物呈球状，平均尺寸小于10 m，均匀分布在基体中。颗粒增强相所占比重可以方便地进行调节，研究者也对材料的耐蚀性能进行实验。 （四）铸渗法 铸渗法起源于涂覆制造工艺，制备钢铁基表面复合材料就是将陶瓷颗粒或粉末等预先固定在型壁的特定位置上，将钢铁液浇入型腔里，利用钢铁液的热流密度，将陶瓷颗粒或者耐磨粉末附着在钢铁基体表面形成复合层，复合层具有耐磨、耐高温及耐蚀等特殊性能。 （五）选区激光烧结技术 选区激光烧结技术是近年来才发展起来的新技术，此技术的出现促进了粉末冶金技术的进步，它将激光技术、新材料、计算机技术于一体的快速原型制造技术。它无需添加任何粘结剂而一次性制备高致密度、高性能的复合材料零件。其工艺原理是：计算机控制高能激光束的移动、逐层熔解或烧结摊铺在磨具表面的复合材料粉末，从而烧结成高致密的零件。该工艺无需模压，且选区激光烧结技术可以用于直接制造模具。 （六）其他制备工艺 除以上方法外，制备钢铁基复合材料还有自生复合法、铝热还原法、碳热还原法和压嵌法等。铁基表面复合材料的制备工艺还包括电子束、表面铸焊法、激光辐射和溅射技术等。 采用碳热还原法将钛铁、铁和焦炭在流动氩气气氛下加热到1450以上，在钛铁中利用焦炭还原出Ti元素，并和原料中的氧元素发生反应，形成Ti（C，O）颗粒相，Ti（C，O）颗粒相分布在铁基体中形成铁基复合材料。 铁基复合材料是目前应用较广的工程结构材料，其硬度和熔点会使其有优异的抗磨性和高温性能，具有良好的发展前景。制备工艺由最初的固相法（粉末冶金法）向目前液相法（原位反应铸造法）进行集中，液相法除了可以降低成本、简化工艺、提升性能外，还可以制备复杂外形的零件，可适应现代工业生产的需要。 参考文献： 1Kiparisov S S. Narva V K，Kolupaeva S Y.Dependence of the properties of titanium carbide steel material upon the composition of the titanium carbide J. Soviet Powd