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1、Fe基Fe-TiC的用途和性能 随着现代工业的发展，单纯的钢铁材料越来越难以满足使用要求，因此将陶瓷材料和钢铁材料的优点融为一体的铁基复合材料应运而生。金属基复合材料因其特有的高比强度、高比模量、耐磨性及耐高温等优良性。TiC因其具有高强度、高模量以及化学稳定胜好等特点作为金属基复合材料的原位增强相而得到广泛地应用。由于TiC和铁液之间化学湿润，故润湿性较好，因而普遍采用TiC作为铁基复合材料的增强相。TiC增强铁基复合材料已成了复合材料的一个新兴研究领域。目前使用粉末冶金法生成的TiC /Fe复合材料已商品化，用于制造切削工具和钻探工具等。但由于这种生产工艺具有生产成本高、制备尺寸小和质量差
2、等缺点而使应用受到限制。TiC具有高熔点、高硬度、高模量且稳定性好，同时Ti常与Fe伴生，Ti/Fe粉价格低，用作为Fe基材料增强相TiC的原料相当合适。用TiC /Fe金属陶瓷复合材料制作的切削工具在有色金属和非金属材料的机械加工方面表现出优良的性能，并在国防军工、核能发电、精密机电等领域有着广泛用途，因此，对TiC /Fe金属陶瓷复合材料的研究具有重要意义。因此，Fe基Fe-TiC具有耐高温、耐磨、耐腐蚀且化学性质稳定的性能制备方法原位合成TiC/Fe复合材料制备工艺 原位合成工艺是20世纪80年代后期发展起来的制备金属基复合材料的有效方法，它是利用两种或两种以上元素在基体中能相互反应生成
3、硬质相，达到强化的口的。与传统生产工艺相比较，具有以下特点：(1)硬质相合成和长大均在基体内，表而洁净无污染;( 2)选择合适的反应成分和处理工艺，可以控制反应合成的增强体种类、大小、数口以及分布;( 3)工艺简单，成本低，易于推广 在TiC /Fe中。金属陶瓷复合材料的组织中，原位合成的TiC增强颗粒具有热力学稳定、尺寸细小、分布均匀且与基体界面洁净和结合良好等特点;同时，基体组织的性能可通过热处理得以进一步改善。 在TiC /Fe金属陶瓷复合材料的合成过程中，除在基体中原位形成所需的增强相外有时也容易伴随产生一些其他化合物，这些化合物常以板条状或网状割裂基体，使复合材料的性能特别是塑韧性降
4、低。因此，研究有害相的形成机制及抑制其产生的工艺措施，对于进一步提高TiC /Fe金属陶瓷复合材料的性能是非常必要的。研究表明，对熔体进行微量Cu, Ni合金化及孕育处理可促进熔体中TiC颗粒的形成，并有效防止组织中有害相的产生。有研究发现，稀土元素加入后在熔体中可形成细小的稀土复合化合物粒子，促进TiC增强体的非均匀形核，防止有害相的形成，有利于材料性能的改善。目前，用于制备铁基复合材料的原位合成技术主要有:反应熔铸法、燃烧合成法、机械合金化法、碳热/铝热还原法等。反应熔铸法反应熔铸法是一种将增强颗粒的原位反应合成同传统的铸造成形过程结合起来的工艺。其基本原理是:在一定成分的液态合金中，利用
5、合金液的高温，使合金液中的合金元素之间或合金元素与化合物之间发生充分的化学反应，生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强颗粒，然后通过铸造成形即获得了由原位颗粒增强的金属基复合材料采用该工艺的主要原因是:反应界而不受污染，界而结合较好;增强相在反应过程中获得，避免了单独生产增强相的工艺步骤，使工艺简化;可由直接铸造获得近终形的产品，便于制造结构复杂的部件。 燃烧合成法 燃烧合成法，即自蔓延高温合成法是利用化学反应的强烈放热制备高熔点化合物的一种材料制备高新技术。采用该工艺的主要原因是:增强相陶瓷颗粒原位生成，避免了陶瓷粒子的污染，而且粒子大小和分布较均匀;两相含量可在较大范围内调整;反应产生
6、的高温可使陶瓷相与熔融金属相结合紧密，同时低熔点杂质挥发，使复合材料的强韧性提高。机械合金化法机械合金化是20世纪70年代初发展起来的一种制备新材料的重要手段之一，它是将两种以上的金属或非金属粉末的混合物，通过高能球磨，最终形成具有微细组织结构的合金或陶瓷粉末。使用这种方法制备TiC /Fe复合材料的原因是:高能球磨过程中引入了严重的屏，格畸变，高密度的缺陷及纳米级的精细结构，使机械合金化的热力学和动力学与常温的固态反应有所不同，具有远离平衡态的特征。铝热还原法合成铝热还原法合成复合材料的方法是建立在使用A1还原金属氧化物或非金属氧化物，制备对应金属基体和增强相。使用此项技术制备TiC /Fe
7、复合材料的主要原因是:相对于其它金属单质，A1还原后生成的A1zOs具有高熔点，在制备TiC, /Fe的高温中非常稳定;铝热反应均为放热反应，因此反应被激活后可以自维系进行;相对于SHS反应，其初始原料廉价，更容易获取;制造工艺简单，能耗较低。 材料制备 原料: 钛粉（纯度99%，粒度10m)； 还原铁粉（纯度98.5%，粒度14m）；碳黑（粒度5m）TiC按1:1化学计量配比，铁含量取65%，材料组成均为质量分数。 材料的制备过程： 混料采用湿混；每100 g混合料中加人50 mL无水乙醇，球料质量比为6:1,采用QM-1 SP行星式球磨机，以180 r/min的转速混料24 h。料浆的干燥
8、在353 K的真空干燥箱中进行，混合粉干燥后，取一小部分进行差热分析，其它加人6%的汽油橡胶，然后造粒，过100目筛，最后压制成型，再进行后处理。 差热分析工艺为:在Ar气保护下，采用坩埚，混合好的粉末以10/ min的升温速度从室温升至1300，Ar气的流量为150ml/min。 高温X射线衍射实验参数为:将混合好的粉末放在片上，参照差热分析实验结果选取实验温度，升温速度为10/ min当升到所要求的温度时停止加热，待稳定后做XRD扫描，采用Cu-/50 kV /160 mA,扫描角度为20120，扫描速度为0.04m/s。压制工艺为:采用YH 41型液压机，压制压力为350MPa保压时间为
9、20s压坯的相对密度约70%。压坯脱胶后，在真空烧结炉中烧结而成，烧结潺度为1420.保潺时间为1 h。材料的性能测试用普通洛氏硬度计测量复合材料的硬度。干滑动摩擦实验在MM一200型磨损试验机上进行，转速为400r/min载荷为588 N，磨损行程为2000 m磨损试样尺寸为10 mm x 10 mm x 17 mm，分别取自所制备的复合材料和激冷铸铁，后者为对比试样。对磨环的尺寸为 40 mm x 10 mm,材料为GC r15钢(HRC55)。材料的磨损情况用磨损体积来衡量。用工具显微镜测出磨痕的平均宽度，并按下式计算磨损体积式中，B为对磨环厚度，mm; b为磨痕宽度，mm;:为对磨环外
10、半径，mm。 材料的耐磨性用相对耐磨性来表示: 致密度 烧结温度对密度的影响 烧结温度对Fe-TiC复合材料密度的影响，随烧结温度的升高，复合材料的密度增大，当烧结温度为1420时，密度达到最大值，而后随粉烧结温度的继续升高，复合材料的密度降低。这是由复合材料的液相烧结特性所决定的。随着烧结温度的升高，一方面，液相对TiC的润湿性得以改善(润湿角减小，从而有利于提高TiC与钢的界面结合，有利于复合材料密度的提高;另一方面，烧结体内将会出现更多的液相，液相数t的增加有利于物质的迁移，从而有利于烧结体内孔隙的减少，加快致密化进程。此外随着烧结温度的升高以及液相对TiC润湿性的改善，必然导致TiC颗粒溶解一析出过程加剧，复合材料致密化进程加快。然而烧结温度过高，将会导致液相数过多，有可能冲垮TiC骨架产生属流失，同时在真空中烧结，温度过高会使金属挥发严重，导致复合材料密度下降。 差热分析结果
