一种高强度铁合金复合材料的制备方法

一种高强度铁合金复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种新材料，具体涉及一种高强度铁合金复合材料。

背景技术

近年来随着多种纳米材料异常突出的强度和韧性等力学性能的发现，科研工作者 们研究了将纳米技术应用于传统材料，通过大幅度提高材料强度等力学性能而大大降低原 材料、能源及人力资源消耗，以满足日益增加的材料需求。部分研究表明，纳米晶材料,如颗 粒为6nm的纳米Fe晶体的断裂强度较之多晶Fe提高12倍；M50钢经高能球磨至纳米级后,再 低温快速烧结，比传统高温熔炼法制备的M50钢晶粒尺寸小2个数量级，其硬度是普通M50钢 的2.3倍，高温强韧性和加工性都有大幅提高，使用寿命大大延长。但是纳米结构金属材料 的研究仍处于实验室初始阶段，材料组成、制备方法和力学性能等方面研究尚在不断探索 和发展。本发明以铁、镁、铝等材料为原料，并引入TiO₂纳米复合材料，合成一种高强度铁合 金复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度铁合金复合材料的制备方法，该铁合金复合材 料具有良好的力学性能，能够满足实际应用领域不断提高的性能要求的需要。

一种高强度铁合金复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤:

取94重量份铁，3.4~5.0重量份铝，0.1~0.9重量份镁放入熔炼炉中，将熔炼炉以加速度 为1℃/分钟的形式升温至1400℃，充分搅拌后，得到Fe-Al-Mg合金液，在1400℃下保温0.5~ 1小时后使温度降低至1050~1200℃，然后再加入2.5重量份Cu/NaS₂-TiO₂纳米复合材料后再 升温至1300~1450℃搅拌保温2小时，经六氯乙烷（C₂Cl₆）精炼除气3min后扒渣，静置10~ 20min，等熔体温度降至1050~1150℃时浇注到5600~800℃的金属模具中，匀速冷却到300~ 350℃后将产品置于870~890℃的退火炉中，保温4~5小时出炉，通入氮气冷却后置于930~ 950℃的淬火炉中，保温2小时后进行油性淬火液恒温淬火处理，温度到180~200℃时进行回 火处理，淬火液在淬火时保持温度在160~180℃之间，在温度为250±10℃的回火炉中保温5 ~10小时后自然冷却，得到高强度铁合金复合材料。

有益效果：本发明提供一种高强度铁合金复合材料的制备方法，通过向铁合金中 复合添加少量的镁、铝等元素，有效地改善了铁合金材料的力学性能。本发明的制备方法中 加入了Cu/NaS₂-TiO₂纳米复合材料大幅度细化合金晶粒，增强合金抗拉强度和抗蠕变能力， 提高铁合金的强度和硬度；可使合金结构均匀，密度提高，使钢的抗弯强度和硬度增强。本 发明的制备方法工艺简单，产品强度高，有利于实现工业化大规模生产，生产效率高。

具体实施方式

实施例1

取94重量份铁，4.8重量份铝，0.2重量份镁放入熔炼炉中，将熔炼炉以加速度为1℃/分 钟的形式升温至1400℃，充分搅拌后，得到Fe-Al-Mg合金液，在1400℃下保温0.5~1小时后 使温度降低至1050~1200℃，然后再加入2.5重量份Cu/NaS₂-TiO₂纳米复合材料后再升温至 1300~1450℃搅拌保温2小时，经六氯乙烷（C₂Cl₆）精炼除气3min后扒渣，静置10~20min，等熔 体温度降至1050~1150℃时浇注到5600~800℃的金属模具中，匀速冷却到300~350℃后将产 品置于870~890℃的退火炉中，保温4~5小时出炉，通入氮气冷却后置于930~950℃的淬火炉 中，保温2小时后进行油性淬火液恒温淬火处理，温度到180~200℃时进行回火处理，淬火液 在淬火时保持温度在160~180℃之间，在温度为250±10℃的回火炉中保温5~10小时后自然 冷却，得到高强度铁合金复合材料。

上述Cu/NaS₂-TiO₂纳米复合材料按如下方法制备：

1）剪取30重量份的钛片，将其放进装有100重量份丙酮的烧杯中超声1h，然后将钛片放 入100重量份去离子水中超声洗涤3次，每次15min，再将洗涤处理好的钛片放入预先配置的 20重量份浓度为2mol/l的NaOH溶液的聚四氟乙烯内衬中，并装入高压反应釜中，在240℃的 温度条件下水热反应8~10h。自然冷却至室温后，用去离子水洗涤钛片5~6次，直到水溶液呈 中性为止，而后在60℃条件下对其进行干燥备用；

2）分别预先配置好20重量份浓度为0.1mol/L的NaS₂SO₄·3H₂O溶液和20重量份浓度为 0.1mol/L的CuCl₂·2H₂O溶液，将两者在聚四氟乙烯反应釜内衬中充分搅拌混合10min后，将 长有二氧化钛纳米线的钛片浸入到上述混合液中，最后将反应釜置于烘箱中，在110℃水热 条件下反应10h,待反应釜冷却至室温后，将钛片取出，用去离子水洗涤3~5次后，在真空干 燥箱中干燥，得到Cu/NaS₂-TiO₂纳米复合材料。

实施例2

与实施例1完全相同，不同在于：加入5重量份铝，0.1重量份镁。

实施例3

与实施例1完全相同，不同在于：加入4.6重量份铝，0.3重量份镁。

实施例4

与实施例1完全相同，不同在于：加入4.4重量份铝，0.4重量份镁。

实施例5

与实施例1完全相同，不同在于：加入4.2重量份铝，0.5重量份镁。

实施例6

与实施例1完全相同，不同在于：加入4重量份铝，0.6重量份镁。

实施例7

与实施例1完全相同，不同在于：加入3.8重量份铝，0.7重量份镁。

实施例8

与实施例1完全相同，不同在于：加入3.6重量份铝，0.8重量份镁。

实施例9

与实施例1完全相同，不同在于：加入3.4重量份铝，0.9重量份镁。

对比例1

与实施例1完全相同，不同在于：只是不加入到Cu/NaS₂-TiO₂纳米复合材料。

对比例2

与实施例1完全相同，不同在于：只是制备到纳米复合材料时不加入NaS₂SO₄·3H₂O溶 液。

对比例3

与实施例1完全相同，不同在于：只是制备纳米复合材料时不加入CuCl₂·2H₂O溶液。

对比例4

与实施例1完全相同，不同在于：只是制备到Cu/NaS₂-TiO₂纳米复合材料时不放入丙酮 中超声处理。

对比例5

与实施例1完全相同，不同在于：只是制备铁合金复合材料时不加入铝。

对比例6

与实施例1完全相同，不同在于：只是制备铁合金复合材料时不加入镁。

对比例7

与实施例1完全相同，不同在于：只是制备铁合金复合材料时用锰代替镁。

对比例8

与实施例1完全相同，不同在于：只是制备铁合金复合材料时不经六氯乙烷（C₂Cl₆）精 炼除气。

将实施例1~9和对比例1~8中制备的铁合金复合材料分别加工成实验所需试样，然 后依照GB/T228-2010测试铁合金材料性能，主要性能指标数据见下表。

铁合金材料性能评价结果

由上表可知，采用实施例1的重量份数制备的铁合金复合材料抗拉强度达到753MPa，延 伸率为19.7%，其力学性能最好，随着加入的铝、镁重量份改变，铁合金复合材料的抗拉强度 和延伸率显著降低，可见铝、镁用量的比例对铁合金复合材料的力学性能影响较大，可能的 原因是在实施例1所述的原料配比下各种金属原料协同性效果最好，金属间相互作用可有 效提高抗拉强度和抗蠕变能力，因而得到的铁合金复合材料力学性能最优异。另外对比例1 ~4说明在铁合金中添加到Cu/NaS₂-TiO₂纳米复合材料可提高铁合金的力学性能，对比例5~7 说明铝、镁两种元素对提高铁合金复合材料力学性能有重要作用，对比例8说制备铁合金复 合材料时条件的选择对其力学性能有突出影响。