原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的低温加钛法

摘要

一种原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的低温加钛法，先将所需铸造生铁和3/4的低碳钢装入中频感应炉，升温将炉内金属料全部熔化后，加入剩余的1/4钢和硅铁合金，并搅拌均匀使金属液变为糊状，再加入钛铁合金颗粒，搅拌均匀后加入覆盖剂覆盖，升温、保温后扒渣浇注，获得TiCp/Fe复合材料。使用本发明的原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料，钛的烧损率可稳定在13％左右，且无需将钛做成预制块而直接加入熔体，操作工艺简单，生产成本大大降低，应用前景广阔。

说明书

技术领域

本发明属原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的低温加钛法领域。

背景技术

原位反应铸造法的基本原理是：在一定成分的液态合金中，利用合金液的高温，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可获得由原位颗粒增强的金属基复合材料。原位反应铸造法制备金属基复合材料避免了基体与增强颗粒的润湿以及污染问题，并且增强颗粒在基体内部原位合成，界面结合较好且界面干净，增强颗粒在基体中分布均匀。用原位反应铸造法制备铁基复合材料的方法，因其工艺简单、成本低廉、制得材料性能优异而成为研究热点。TiC颗粒因具有高硬度、高模量、高熔点、较高抗弯强度和耐磨性能良好等特点，普遍被用做制备铁基复合材料的增强相。但由于Ti元素的活性高、氧化性强，致使制备过程中Ti元素烧损严重，增加了生产成本。

目前国内外利用原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的工艺一般是：首先熔炼Fe-C母合金，先加入生铁，待生铁熔化后加入低碳钢。待两者都熔化后(温度约1460-1520℃)，加入一定尺寸(5～10mm)的钛铁合金，并用覆盖剂覆盖，当Fe-Ti-C熔体升温至1580-1650℃时，保温10min后浇注。该法的主要缺点是：由于钛铁合金密度比母合金小，加入后大部分钛铁合金浮在金属液面上与空气长时间、大面积接触，钛的烧损多，因此一直存在着氧化烧损大的问题。

国内在大气环境下采用原位反应法制备TiC颗粒增强铁基复合材料时，烧损率一般在25％到35％之间，有些甚至高达40％-50％。根据《Fe-Ti-C熔体在大气条件下原位合成TiCp/Fe复合材料的研究》(复合材料学报2000年3期P51-54严有为魏伯康)一文报道，钛的烧损率可控制在15％左右，当属目前国内最好水平，但实施该报道的方法时，需事先将钛做成预制块，工艺操作麻烦。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可明显降低钛的烧损率、且操作工艺简单、适宜工业批量生产的原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的低温加钛法。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

先将设计所需铸造生铁和3/4的低碳钢装入中频感应炉，升温将炉内金属料全部熔化后，加入剩余的1/4钢和硅铁合金，并搅拌均匀使金属液变为糊状，再加入钛铁合金颗粒，搅拌均匀后加入覆盖剂覆盖，升温、保温后扒渣浇注，获得TiCp/Fe复合材料。

覆盖剂可以采用草木灰和木炭的混合物。

使用本发明的原位反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料，钛的烧损率可稳定在13％左右，且无需将钛做成预制块而直接加入熔体，操作工艺简单，生产成本大大降低，应用前景广阔。

附图说明

图1是用本低温加Ti法制备的TiCp/Fe复合材料试样腐蚀前的金相组织图。

图2是用常规方法制备的TiCp/Fe复合材料试样腐蚀前的金相组织图。

图3是对本低温加Ti法制备的TiCp/Fe复合材料试样颗粒能谱微区分析位置图。

图4是图3的K点所示部位颗粒相的能谱分析结果图。

图5是试样尺寸图。

具体实施方式

先将计算所需的全部铸造生铁和3/4的钢装入中频感应炉内，升温熔炼，待炉内金属料全部熔化后(此时温度约在1460-1520℃间)，加入剩余的1/4钢和硅铁合金降温，并均匀搅拌使炉内金属变为糊状(此时温度约在1350-1400℃间)，然后将破碎至5～10mm的钛铁合金颗粒加入炉内，搅拌均匀，使糊状金属将钛铁合金颗粒全部包裹，不使钛铁合金颗粒上浮；随后加入覆盖剂覆盖，升温至1580-1650℃，保温4-8分钟后扒渣浇注试样。浇注前在浇包内用铝除氧。

本低温加Ti法Ti元素烧损率(广西冶金产品质量监督检验站化验结果)

试样编号Ti设计的百分含量wt％实际测得Ti的百分含量wt％Ti烧损率  平均  1  2.92  2.56  12.3％    13.1  2^#  2.3  1.98  13.9％

由图1和图2比较可清楚看到：采用本发明的低温加Ti法制备TiCp/Fe复合材料比常规工艺制备的TiC颗粒多得多，而且分布更均匀，这非常有利于材料硬度、耐磨性能的提高。同时，从以下的表1和表2比较，也证明了这一点。

表1  本低温加Ti法工艺生产的TiCp/Fe复合材料洛氏硬度

  试样    不同点的硬度值(HRC)  平均值  (HRC)    1    2    3    4    5    1    45.5    42.4    44.4    44.3    45.2    44.36    2    48    48.1    47.5    48    48.6    48.04

表2  常规工艺生产的TiCp/Fe复合材料洛氏硬度

  试  样    不同点的硬度值(HRC)  平均值  (HRC)    1    2    3    4    5    1    37.6    38.1    36.9    37.5    2    40.3    41.1    39.5    40.3

为了证明本发明的低温加Ti法工艺确实能生成TiC颗粒，我们对采用本法工艺制备的TiCp/Fe复合材料试样进行了XRD物相分析(X射线衍射物相分析)，衍射分析在日本理学D/max 2500V型X射线衍射仪上进行，其中衍射靶为铜靶，管电压为40kV，管电流为200mA，最大为206mA，衍射试样采用粉末试样。在X射线衍射谱中，出现了铁素体和增强体TiC两个明显的衍射峰，说明基体中主要为铁素体和增强体TiC。

为了进一步确定图3观察到的增强颗粒确实是TiC颗粒，对颗粒(图3中K点)的元素采用Inca 300能谱仪进行扫描电镜分析，其结果如图4所示。

从对颗粒扫描电镜能谱分析图可以看出：Ti元素在颗粒相存在处出现了明显的峰值，而Fe元素的峰值则出现在基体材料中。之所以出现Fe元素的峰值，是因为靠近增强颗粒与基体界面处存在Fe元素的分布，并随着向颗粒相内部的推移Fe元素的含量逐渐减少，最后趋于零。从图中可看出C峰值明显偏低，这是由于C元素是轻量元素，扫描电镜难以进行定量分析，但仍然可以判断C元素存在与否，可从颗粒相和基体相的C含量进行比较。TiC颗粒相中C原子的原子百分比为39.43％，而基体珠光体中C原子含量的百分比小于等于0.77％，所以颗粒相中C原子的峰值要高于基体相中C原子的峰值，在能谱图中也表现出这一现象。因此能谱分析表明：Ti和C是组织中颗粒相内的两个主要组成元素，从而进一步说明，低温加Ti法工艺能生成TiC颗粒增强相。

实施例1：制备TiCp/Fe复合材料试验一

1、试验材料：

TiCp/Fe复合材料试样的设计化学成分(wt％)

Ti 2.92，C 1.5，Si 2.5，Fe余量

表3 TiCp/Fe复合材料试验用原材料名义化学成分(wt％，Fe均为余量)

  原材  料    化学成分    主要作用  C Ti    Si S  P Mn Al生铁  4.13 -    1.27 ＜＝0.05  0.098 0.17 -   提供合成增强颗粒的C原子，并提供   基体材料45钢  0.43 -    0.22 0.010  0.010 0.57 -   调整合金熔体中C原子的成分钛铁  0.072 26.22    3.51 0.021  0.03 - 6.21   提供合成增强颗粒的Ti原子硅铁    72.0～    80.0 ≤0.02  ≤0.04 0.50 -   提供合金元素Si，同时有沉淀脱氧   的作用

2、试验仪器设备及试样：

a.试验仪器设备：

日本理学D/max 2500V型X射线衍射仪、Inca 300能谱仪、HR150D型洛氏硬度计、HVS-1000维氏显微硬度计、MCT-110精密数字测温仪、上海实验电炉厂产10kg中频感应电炉。

中频感应电炉的炉衬用镁砂、粘土、硼砂等制成，这一方面减少了钢液中Ti元素的烧损和Ti元素在钢液中渣化损失，使钢液更加纯净；另一方面提高了炉衬的耐火度，提高炉体的使用寿命。试样铸型使用水玻璃砂制作，造型结束后通入二氧化碳气体使砂型硬化，然后放入烘干箱中烘烤1个小时。

b.试样尺寸见图5。

3、化验样品的选取：

先将试样(毛坯)表面打磨干净，然后用硬质刀具切削表层2-3mm，最后在大端的下部(靠近小端处)中心部位钻取化验样品。

4.制备方法：

原料：钛铁合金颗粒1113.6克，铸造生铁3028.4克，45号钢5616.8，硅铁合金282.4克。

工艺：

先将全部铸造生铁和45号钢的3/4计4212.6克装入中频感应炉内，升温熔炼，待炉内金属料全部熔化后，在1485℃下加入剩余的钢1404.2克和全部硅铁合金降温，并均匀搅拌使炉内金属变为糊状，在1385℃下将破碎至5～10mm的钛铁合金颗粒加入炉内，搅拌均匀，使糊状金属将钛铁合金颗粒全部包裹，不使钛铁合金颗粒上浮，随后加入草木灰和木炭的混合物覆盖，升温至1580℃保温4分钟后扒渣浇注试样。浇注前在浇包内用铝除氧。

5.Ti烧损率检测结果

Ti设计的wt％  2.92    实际测得Ti的wt％  2.56    Ti烧损率12.3％

实施例2：制备TiCp/Fe复合材料试验一

1.试验材料、试验仪器设备及试样、化验样品的选取、制备方法中的原料均同实施例1。

2.制备工艺：

全部铸造生铁和钢的3/4在中频感应炉内升温熔化，在1460℃下加入剩余的钢、硅铁合金并搅拌金属成糊状，在温度1400℃下加入钛铁合金颗粒搅匀后加草木灰和木炭的混合物覆盖，升温至1630℃保温8分钟后扒渣浇注试样。浇注前用铝除氧。

3.Ti烧损率检测结果

Ti设计的wt％  2.92  实际测得Ti的wt％  2.54  Ti烧损率13.0％

实施例3：制备TiCp/Fe复合材料试验一

1.试验材料、试验仪器设备及试样、化验样品的选取、制备方法中的原料同实施例1。

2.制备工艺：

全部铸造生铁和钢的3/4在中频感应炉内升温熔化，在1520℃下加入剩余的钢、硅铁合金并搅拌金属成糊状，在温度1350℃下加入钛铁合金颗粒搅匀后加覆盖剂覆盖，升温至1650℃保温6分钟后扒渣浇注试样。浇注前用铝除氧。

3.Ti烧损率检测结果

Ti设计的wt％  2.92    实际测得Ti的wt％  2.55  Ti烧损率12.7％

实施例4：制备TiCp/Fe复合材料试验二

1.试验材料：

TiCp/Fe复合材料试样的设计化学成分(wt％)

Ti 2.3，C 1.4，Si 0.6，Fe 余量

试验用原材料名义化学成分同实施例1。

2、试验仪器设备及试样、化验样品的选取同实施例1。

3.制备方法：

原料：钛铁合金颗粒877.2克  生铁2703.4克  45号钢6452克

工艺：

先将全部铸造生铁和3/4的45号钢4839克装入中频感应炉内，升温熔炼，待炉内金属料全部熔化后(此时温度1515℃)加入剩余的1/4钢1613克降温，并均匀搅拌使炉内金属变为糊状(此时温度1352℃)，然后将破碎至5～10mm的钛铁合金颗粒加入炉内，搅拌均匀，加入覆盖剂覆盖，升温至1580℃，保温4分钟后扒渣浇注试样。浇注前在浇包内用铝除氧。

4  Ti烧损率检测结果

Ti设计的wt％  2.30，实际测得Ti的wt％  2.00，Ti烧损率  13％。

实施例5：制备TiCp/Fe复合材料试验二

1.试验材料、试验仪器设备及试样、化验样品的选取同实施例4。

2.制备方法：

原料：同实施例4。

工艺：全部铸造生铁和钢的3/4在中频感应炉内升温熔化，在1470℃下加入剩余的钢并搅拌金属成糊状，在温度1400℃下加入钛铁合金颗粒搅匀后加草木灰和木炭的混合物覆盖，升温至1650℃保温8分钟后扒渣浇注试样。浇注前用铝除氧。

3.Ti烧损率检测结果

Ti设计的wt％  2.3  实际测得Ti的wt％  1.9  Ti烧损率13.5％。

实施例6：制备TiCp/Fe复合材料试验二

1.试验材料、试验仪器设备及试样、化验样品的选取同实施例4。

2.制备方法：

原料：同实施例4。

工艺：全部铸造生铁和钢的3/4在中频感应炉内升温熔化，在1460℃下加入剩余的钢并搅拌金属成糊状，在温度1360℃下加入钛铁合金颗粒搅匀后加草木灰和木炭的混合物覆盖剂，升温至1600℃保温6分钟后扒渣浇注试样。浇注前用铝除氧。

3.Ti烧损率检测结果

Ti设计的wt％  2.3  实际测得Ti的wt％  1.97  Ti烧损率14.3％

实施例7：制备TiCp/Fe复合材料试验二

1.试验材料、试验仪器设备及试样、化验样品的选取同实施例4。

2.制备方法：

原料：同实施例4。

工艺：全部铸造生铁和钢的3/4在中频感应炉内升温熔化，在1520℃下加入剩余的钢并搅拌金属成糊状，在温度1385℃下加入钛铁合金颗粒搅匀后加覆盖剂，升温至1590℃保温8分钟后扒渣浇注试样。浇注前用铝除氧。

3.Ti烧损率检测结果

Ti设计的wt％  2.3  实际测得Ti的wt％  2.01  Ti烧损率12.6％