鐵基復(fù)合材料的制備與應(yīng)用

金屬是最重要的工程材料,在材料中，90%是鋼鐵，是使用最廣泛的材料。鋼鐵材料具有

價(jià)格便宜、資源豐富、性能優(yōu)越及易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)等特點(diǎn)，獲得了廣泛使用。

全球鋼產(chǎn)量從20世紀(jì)初的2850萬t,2000年達(dá)到8.43億t,增長(zhǎng)了近29倍。2003年，

世界鋼產(chǎn)量達(dá)到9.63億t,其中約80與新增產(chǎn)量來自亞洲,特別是中國。中國的鋼產(chǎn)量由

2001年的1.516億t增至2003年的2.201億I。

21世紀(jì)，鋼鐵仍將是占主導(dǎo)地位的結(jié)構(gòu)材料。因此，如何提高鋼鐵材料的性能也成為國內(nèi)外

眾多學(xué)者研究的目標(biāo)。其中，一個(gè)重要的研究方向就是鐵基復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用。低密

度、高剛度和高強(qiáng)度的增強(qiáng)體顆粒加入到鋼鐵基體中，在降低材料密度的同時(shí),提高了它的

彈性模量、硬度、耐磨性和高溫性能，可應(yīng)用于刀具及耐磨零件等工業(yè)領(lǐng)域。

1國外碳硅材料的發(fā)展和研究

1.1原位復(fù)合技術(shù)

研究最早的鐵基夏合材料制備工藝是粉末冶金法(PowderMetallurgy,簡(jiǎn)稱P/M)。早在

1959年，文獻(xiàn)就利用P/M工藝制備了A1203顆粒增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料。試驗(yàn)證明氧化物分散

于鐵的基體中可以提高基體的抗蠕變特性，這一原理即為氧化物彌散強(qiáng)化原則。該研究開

啟了鐵基復(fù)合材料研究的大門，使得鋼鐵材料力學(xué)性能的大幅提高成為可能。

20世紀(jì)70、80年代，粉末冶金法制備鐵基復(fù)合材料開始引起了廣泛關(guān)注，這?時(shí)期增強(qiáng)顆

粒的范圍不斷增加，包括A1203、Cr7c3、Cr3c2、TiC、NbC、WC、VC及Ferrochromium均

有報(bào)道?；w材料由單?的鐵發(fā)展到鋼和多元體系，制備工藝也在不斷創(chuàng)新,特別是原位復(fù)

合技術(shù)的出現(xiàn),為解決顆粒與基體的界面問題帶來了新思路。

1971年，文獻(xiàn)制備rA12O3顆粒彌散強(qiáng)化鐵基復(fù)合材料，通過電子顯微鏡觀查「顆粒與基體

的界面,發(fā)現(xiàn)表面活性元素可有效降低界面能。此后，關(guān)于顆粒與基體界面問題成為鐵基復(fù)

合材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)，也H益成為制約鐵基復(fù)合材料發(fā)展的重要原因。1975年,文獻(xiàn)采用

粉末冶金法制備/TiC顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料,采用TiC-C-Steel(Khl2M)粉末燒結(jié)成形。

發(fā)現(xiàn)TiC顆粒的加入提高了材料的硬度、強(qiáng)度和耐磨性,且與各組分的含量有密切聯(lián)系。

當(dāng)TiC顆粒增加，含碳量減少時(shí),材料燒結(jié)后的硬度、強(qiáng)度和耐磨性將增加。這表明顆粒的

體積分?jǐn)?shù)將很大程度上決定了材料的性能。在粉末冶金法發(fā)展的后期，為了進(jìn)一步提高增

強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)，同時(shí)解決顆粒與基體的界面問題，出現(xiàn)了原位復(fù)合技術(shù)。

1983年，文獻(xiàn)采用粉末冶金法將碳黑、V粉(或Ti粉或Cr粉)與鐵粉混合，在1300~2000

K溫度間燒結(jié)成形，獲得了原位VC/Fe(Ti/Fe或Cr3c2/陞)鐵基復(fù)合材料。研究顯示,VC/Fe

和TiC/Fe比Cr3C2/Fe容易燒結(jié)，且性能優(yōu)于Cr3C2/Fe,其硬度和耐磨性很高,可用于刀具。

這一研究也展示了原位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)也采用了粉末冷金法，將Ti、Cr、石磨和鐵的粉末混合，高溫下加壓致密化并使粉末發(fā)

生反應(yīng),制備了原位TiC顆粒和(Fe,Cr)xCy顆粒增強(qiáng)Fe-Cr-C基復(fù)合材料,該材料的耐磨

性優(yōu)于常規(guī)耐磨材料。

1.2tic/fe復(fù)合材料的制備工藝

鑄造法是一種優(yōu)異的材料或形方法，具有工藝簡(jiǎn)單、成本較低、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)及產(chǎn)物

致密高等優(yōu)點(diǎn)。

1973年，文獻(xiàn)顯示,Fe-Co-Cr-C四元體系在連續(xù)壓力作用下會(huì)凝固成兩相，一-相為金屬相，

主要是鐵,也包含少量的Co和Cr和極微量的C;另一相是碳化物,成分是(FeCrCo)7c3,呈針

棒狀分布于鐵基體中。

此后鑄造法的研究轉(zhuǎn)向了選擇更適合的合金元素和工藝，以生成硬度更高、形貌更好(球狀

或小塊狀)及增強(qiáng)效果更好的鐵基復(fù)合材料。在常用增強(qiáng)體中具有最高硬度的TiC顆粒成

為了研究的主要方向，而原位合成技術(shù)也被運(yùn)用到了鑄造法中。

20世紀(jì)90年代是鐵基復(fù)合材料飛躍發(fā)展并走向?qū)嵱没年P(guān)鍵時(shí)期，成形工藝開始由固相燒

結(jié)法轉(zhuǎn)向鑄造法。

1990年，文獻(xiàn)將TiC陶瓷顆粒加入Fe-C合金熔體中，并外加電磁攪拌,制備了TiC/Fe復(fù)合

材料。研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)與合金熔體的成分、外加TiC的體積分?jǐn)?shù)及顆粒尺寸、

混合溫度與時(shí)間及冷卻速率有關(guān)。并指出復(fù)合材料的耐磨性能隨著TiC的體積分?jǐn)?shù)增加而

增加，隨著顆粒尺寸和顆粒間距的增大而降低,這一方法稱為攪拌鑄造法。

為解決外加陶究顆粒與基體的結(jié)合能力差、存在夾雜、顆粒分散不均勻及復(fù)合材料性能不

穩(wěn)定的問題，開始對(duì)顆粒進(jìn)行預(yù)處理，以提高兩者的潤(rùn)濕性與結(jié)合力，包括表面涂覆、電鍍、

超聲波清洗及熱處理等方法。這樣做雖然使復(fù)合材料的界面得到了一定改善，但無疑使工

藝變得復(fù)雜,制備成本增加，失去了鑄造法的優(yōu)勢(shì)，原位反應(yīng)鑄造法的迅速出現(xiàn)從根本上解

決了這些問題，因而成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。

1991年，文獻(xiàn)采用原位反應(yīng)鑄造法制備TiC/Fe復(fù)合材料,TiC顆粒與基體結(jié)合良好且界面

潔凈無氣體等夾雜物產(chǎn)生:顆粒分布均勻彌散,Ti和C的加入比例與加入時(shí)的溫度、冷卻速

度以及熱處理都對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)有影響。此工藝簡(jiǎn)單、成本較低、顆粒體積分?jǐn)?shù)高和彌

散分布性好,具有實(shí)用和廣泛推廣的價(jià)值。

文獻(xiàn)將V和Ti加入到Fe-C-Mn-Cr合金熔體中，在基體中獲得了球狀立方碳化物TiC、VC,

并引起了Cr的重新分布。Cr從碳化物中釋放出來，使基體中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,從而提高

了材料抗海水腐蝕的能力,因而,鐵基復(fù)合材料不僅可以提高鋼鐵材料的力學(xué)性能(特別是

硬度和抗磨性），也可以使其獲得某曲特別的性能（如抗蝕性和高溫力學(xué)性能），這就大大拓

寬了鐵基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用范圍。

文獻(xiàn)研究了干滑動(dòng)磨損條件下TiC/Fe材料的抗磨性能。試驗(yàn)表明材料的磨損量隨著滑動(dòng)

距離的增加線性增加，磨損速率與載荷成正比。然而當(dāng)TiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時(shí)，

磨損速率不再隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而變化。所以,在制備鐵基復(fù)合材料時(shí)，要控制好碳化

物的體積分?jǐn)?shù)、形貌和分布，使材料獲得最佳性能的同時(shí)有較低的成本。

1.3鐵基復(fù)合材料的制備

近年來，高溫自蔓延燒結(jié)工藝（SelfPropagatingHighTemperatureSysthesis,簡(jiǎn)稱SHS）

也越來越受關(guān)注,SHS也稱燃燒合成法,最大特點(diǎn)是利用反應(yīng)物內(nèi)部的化學(xué)能來合成材料。

一經(jīng)點(diǎn)燃,燃燒反應(yīng)可自我維持，一?般不再需要補(bǔ)充能量。因而工藝過程極為簡(jiǎn)單,能耗低，

生產(chǎn)率高，且產(chǎn)品純度很高。SHS工藝的研究以原蘇聯(lián)為主，目前，已用此法合成了500多種

材料,如難熔材料、耐磨材料、復(fù)合材料、功能材料、發(fā)熱元件及固體潤(rùn)滑劑等。

20世紀(jì)70、80年代,SHS工藝被廣泛應(yīng)用于制備陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管,直到90年代才開始用

來制備鐵基整體復(fù)合材料

1996年英國諾丁漢大學(xué)和英國LSM公司的研究者利用SHS工藝制備了（此Ti）C/Fe復(fù)合材

料，碳化物呈球形,直徑在1?10uni之間，在基體中分布均勻。且可根據(jù)使用性能的要求

調(diào)整碳化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù),研究者對(duì)復(fù)合材料的抗蝕性進(jìn)行「試驗(yàn)。SHS工藝制備鐵基復(fù)合材

料有諸多優(yōu)勢(shì)，但是產(chǎn)品致密度低是困擾其發(fā)展的主要原因。因而,近幾年的研究主要集中

于如何提高產(chǎn)物的致密性，

文獻(xiàn)采用SHS和軋制工藝結(jié)合，高溫時(shí)點(diǎn)燃Ti-B-Fe粉末混合物,利用反應(yīng)放熱制備了

TiB2/Ee復(fù)合材料,再對(duì)產(chǎn)物軋制處理,提高了材料的致密度。此外,在燒結(jié)時(shí)對(duì)反應(yīng)體系加

壓,可以有效促進(jìn)產(chǎn)物的致密化。

SHS的另一個(gè)重要的發(fā)展方向就是利用它來制備陶瓷顆粒，再運(yùn)用鑄造法制備最終的產(chǎn)物。

這一方法的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在SHS工藝制備的陶瓷顆粒尺寸細(xì)?。蛇_(dá)到納米級(jí)）、界面潔凈及純

度高,而鑄造法制備的復(fù)合材料顆粒分散性好、致密度高及成本低。

文獻(xiàn)用SHS法制備了TiC-Fe、TiB2-Fe陶瓷粉末,TiC顆粒（5?10=m）和TiB2（2?5um）

顆粒在鐵中分散均勻。隨后將粉末投入到鋼液中，粉末中的鐵熔化,在鋼基體中獲得了分布

均勻、界面潔凈的陶驍顆粒。但TiB2-Fc粉末在鋼液中易反應(yīng)生成F02B和TiC相，用

（50%TiB2+50%Ti）-Fe粉末（同樣用SHS制備）代替，最后獲得了TiB2和TiC顆粒增強(qiáng)的鋼基

及合材料。研究表明陶究顆粒的生成，大大提高了鋼的耐磨性。

1.4表面耐磨性復(fù)合材料

以上所涉及到的復(fù)合材料基本都是整體復(fù)合材料，近年來有關(guān)鐵基表面復(fù)合材料的研究也

在不斷增加。其中，研究最多的工藝是鑄滲法。鑄滲法起源于涂覆鑄造工藝，制備鋼鐵基表

面耐磨復(fù)合材料就是將合金粉末或陶瓷顆粒等預(yù)先固定在型壁的特定位置上，通過一次性

澆注鋼鐵液的方法，使鑄件表面形成復(fù)合層,該復(fù)合層具有特殊組織和耐磨、耐蝕及耐高溫

等特殊性能。

文獻(xiàn)利用鑄滲法制備了鐵基表面復(fù)合材料，其增強(qiáng)體分別是(NbFe)Cx和裊的碳化物,研究

表明碳化物相的組成與擴(kuò)放溫度和基體的含碳量有關(guān)。

美國K特皮勒公司和阿拉巴馬州大學(xué)的研究者采用壓力鑄滲工藝制備了WC-Co,(W,Ti)C和

Al203增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料,并作為一種新型的耐磨材料成功地得到了應(yīng)用。

1.5鐵基復(fù)合材料的制備

制備整體復(fù)合材料的其他方法還有鋁熱還原法和碳熱還原法等。

以上工藝制備過程均需分多步進(jìn)行,耗能多而成本高,且不可避免陶瓷顆粒表面受到污染。

鋁熱還原法和碳熱還原法均為一步法,即將鐵礦石宜接熔煉成顆粒增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料。

文獻(xiàn)最早采用碳熱還原法制備了鐵基復(fù)合材料，1991年將鈦鐵礦(金紅石)、鐵和焦炭在流

動(dòng)氧氣保護(hù)氣氛下加熱到1450℃以上時(shí)，在鐵基體中獲得了Ti(C,0)增強(qiáng)相。隨后，采用

此法制備了WC/Fe和(Ta,Nb)C/Fe復(fù)合材料。

鋁熱還原法制備鐵基復(fù)合材料是最近才出現(xiàn)的，相關(guān)的研究剛剛開始。文獻(xiàn)采用鋁熱還原

法，將硅質(zhì)砂、A1、石墨和鑄鐵混合熔煉，制備了TiC/合復(fù)合材料;將錯(cuò)砂、赤鐵礦、A1和

C混合熔煉制得了ZrC/Fe復(fù)合材料。

表面鐵基復(fù)合材料的制備工藝還包括電子束、激光輻射和濺射技術(shù)。

1999年，文獻(xiàn)采用高能電子束輻射工藝，成功制備了TiC/Fc表面復(fù)合材料。他們將TiC顆

粒與熔劑材料(MgO-CaO)混合制成的粉末涂覆于碳鋼基體上,用高能電子束輻射，使粉末與

基體表面熔化，TiC顆粒在隨后的冷卻過程中沉淀并與基體牢固的結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)熔劑的

最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?20%顆粒在表面分散均勻，復(fù)合材料層厚度可達(dá)2.5mmo試驗(yàn)表明

材料的硬度和耐磨性提高很多，性能優(yōu)異。除了電子束,也有應(yīng)用激光和磁控濺射制備鐵基

表面復(fù)合材料的報(bào)道。

1.6纖維增強(qiáng)方法

纖維增強(qiáng)金屬基愛合材料的開發(fā)，基體材料以鋁合金為主。以陶瓷纖維增強(qiáng)鐵合金夏合材

料的研究極為少見。因?yàn)殍F合金熔點(diǎn)極高,其熔液與陶瓷纖維往往發(fā)生反應(yīng)而使纖維特性

劣化。

一種可行的方法是利用共晶熔體定向凝固技術(shù)獲得纖維增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料。文獻(xiàn)對(duì)Fe-

Cr-C共晶合金熔體進(jìn)行了定向凝固處理,獲得了y+Cr7c3(含微量的Cr23C6)纖維增強(qiáng)的鐵

基復(fù)合材料。

文獻(xiàn)采用壓鑄法制備了ZrO2增韌的A1203纖維增強(qiáng)Fe3Al金屬間化合物合金基復(fù)合材料。

研究表明在壓鑄過程中纖維與基體會(huì)發(fā)生界面反應(yīng),產(chǎn)生了1.18nm厚的反應(yīng)層。

1.7鐵基復(fù)合材料的界面反應(yīng)

1997年第2屆HTC(HighTemperatureCapillarity)大會(huì)在波蘭克拉科夫舉行，在這次國

際會(huì)議上關(guān)于鐵基復(fù)合材料的論文較多，也對(duì)過去的有關(guān)研究做了總結(jié),對(duì)陶瓷相與金屬基

體的界面反應(yīng),兩者的潤(rùn)濕性、互擴(kuò)散性及結(jié)合能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和探討。

文獻(xiàn)探討了增強(qiáng)顆粒的選擇及其與基體的匹配(特別是兩者的潤(rùn)濕性)及界面反應(yīng)問題。通

過調(diào)整或選擇原材料的成分和工藝參數(shù),在制備鐵基復(fù)合材料過程中控制界面的反應(yīng)和結(jié)

合力,