天然鈦鐵礦碳熱、鋁熱原位合成金屬基復(fù)合陶瓷的研究.pdf

1、TiC/Fe和TiC-Al2O3/Fe金屬基復(fù)合陶瓷作為工具材料和耐磨材料表現(xiàn)出非常優(yōu)良的性能。但目前常規(guī)的粉末冶金方法使得材料的制備成本很高，同時由于制備方法造成的硬質(zhì)相與粘接相界面的污染，嚴重影響材料的力學(xué)性能，進而制約了這兩種金屬基復(fù)合陶瓷的廣泛應(yīng)用。發(fā)展新的制備技術(shù)，降低成本，進一步提高金屬基復(fù)合陶瓷的性能，對推廣其應(yīng)用具有重要意義。 本研究結(jié)合我國豐富的鈦鐵礦資源優(yōu)勢，以鈦鐵礦為主要原料直接制備鐵基金屬基復(fù)合陶瓷材料。

2、首次以鈦鐵礦為原料，采用原位合成燒結(jié)成功制備了致密TiC/Fe和鋼結(jié)硬質(zhì)合金GT35；采用自蔓延原位合成技術(shù)成功制備了TiC-Al2O3/Fe粉體，并通過熱壓燒結(jié)制成了TiC-Al2O3/Fe(Al)致密金屬基復(fù)合陶瓷；嘗試用量子化學(xué)計算，定性分析了離子電荷與化學(xué)鍵性對不同結(jié)構(gòu)物相構(gòu)成的金屬基復(fù)合陶瓷性能的影響。本研究對我國礦物資源的高技術(shù)應(yīng)用和金屬基復(fù)合陶瓷工藝理論的發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義。 本研究應(yīng)用高能球磨、熱壓燒結(jié)、真空燒

3、結(jié)以及機械加工、熱處理設(shè)備制備了TiC/Fe、TiC-Al2O3/Fe(Al)和鋼結(jié)硬質(zhì)合金GT35致密的金屬基復(fù)合陶瓷。應(yīng)用差熱分析(DSC)、失重分析(TG)、X射線衍射分析、掃描電鏡等微結(jié)構(gòu)分析和微區(qū)能譜分析結(jié)合熱力學(xué)分析、化學(xué)鍵性計算分析等手段和方法，系統(tǒng)研究了鈦鐵礦碳熱、鋁熱還原原位合成TiC、Al2O3、Fe(Al)系列金屬基復(fù)合陶瓷的熱力學(xué)機制；物相形成的動力學(xué)機制；以及原料因素、制備工藝對自蔓延制備粉體的燃燒過程、粒度控

4、制的影響規(guī)律，以及添加劑元素的種類、添加量和燒結(jié)工藝對致密金屬基復(fù)合陶瓷顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響規(guī)律，提出相應(yīng)的控制機制和措施，確定優(yōu)化的配方和工藝參數(shù)。 本研究的主要結(jié)果： 1)鈦鐵礦碳熱、鋁熱還原，原位合成金屬基復(fù)合陶瓷，在熱力學(xué)上穩(wěn)定的物相為TiC、Al2O3和Fe。 2)鈦鐵礦－碳體系原位合成金屬基復(fù)合陶瓷，其穩(wěn)定物相TiC、Fe的形成過程經(jīng)歷了Fe2O3的脫氧還原得到Fe；FeTiO3的脫氧還原得到Fe

5、和鈦的氧化物，鈦的氧化物TiO2、Ti3O5、Ti2O3等作為中間產(chǎn)物在還原過程中存在，碳熱充分還原后消失，得到TiC。 3)添加劑合金元素Mo通過與TiC的固溶，提高離子電荷、共價鍵級；Ni的添加，通過與粘接相Fe的固溶，強化Fe基體，改善Fe對TiC的潤濕；從而提高TiC/Fe金屬基復(fù)合陶瓷的性能。在1550℃/90min真空燒結(jié)下，含Mo、Ni各5wt％的材料，抗彎強度達850MPa，斷裂韌性達13.65MPa.m1/2。

6、 4)對鈦鐵礦－鋁－碳原位合成TiC-Al2O3/Fe(Al)金屬基復(fù)合陶瓷，主要還原劑為Al，經(jīng)鋁還原Fe2O3和FeTiO3得到Fe和Al2O3，中間產(chǎn)物TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO等再直接與Al反應(yīng)碳反應(yīng)得到TiC和Al2O3。 5)鈦鐵礦－鋁－碳體系原位合成TiC-Al2O3/Fe是一個放熱過程，具備自蔓延燃燒條件，利用該體系自蔓延原位合成TiC-Al2O3/Fe粉體，使用石墨為碳源比使用碳黑時，自蔓

7、延過程的燃燒溫度高，燃燒波速率更大；通過稀釋劑的應(yīng)用，可以控制反應(yīng)產(chǎn)物的粒度。 6)鈦鐵礦－鋁－碳體系原位合成結(jié)合熱壓燒結(jié)技術(shù)，直接制備了TiC-Al2O3/Fe致密金屬基復(fù)合陶瓷。添加劑Mo、Ni及Al可以改善金屬基體對TiC、Al2O3的潤濕性；Cr2O3可抑制TiC與Al2O3界面反應(yīng)，提高金屬基復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能。1550℃/30MPa真空熱壓燒結(jié)工藝對本體系較為合適，可得到較高的力學(xué)性能。 7)添加劑Mo、Ni

8、及Al通過提高離子電荷及結(jié)合界面的共價鍵級，改善TiC-xAl2O3/Fe(x=0,0.25，0.5,0.75,1。mol比)及TiC-Al2O3/(Fe、Fe3Al、FeAl)體系的性能。 8)利用原位合成結(jié)合真空燒結(jié)技術(shù)，以鈦鐵礦為主要原料，直接制備了鋼結(jié)硬質(zhì)合金GT35。添加的Fe、Cr、Mo、Ni形成的碳化物從熱力學(xué)上看，有條件參與對鈦鐵礦的還原。 9)對合成的GT35進行性能和顯微組織的分析，較高的含碳量和含M