铁基复合材料的研究进展综述

引言

复合材料是由两种或两种以上物质组成，材料中各组分保持自己的化学性质不变，而复合材料本身具有两种材料的性质，甚至具有其组成元素所不具有的新的性质。因此复合材料将是以后的发展方向。铁是最常用的功能材料，改善和提高铁基体的性质具有很大的研究价值。将低密度、高刚度和高强度的增强体颗粒加入到铁基体中，在降低材料密度的同时，提高了它的弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能，可应用于刀具及耐磨零件等工业领域。

１、国外铁基复合材料的发展

本论文项目为中国地质大学（北京）大学生创新性实验计划项目

铁基复合材料的研究进展综述

耿学文１，２　赵洪波１，３　樊振军１

１、中国地质大学（北京）实验物理教学示范中心　１０００８３２、中国地质大学材料科学与工程学院 １０００８３３、中国地质大学工程技术学院　１０００８３

１９５９年，文献［１］利用粉末冶金工艺制备了Ａｌ２Ｏ３颗粒增强Ｆｅ基复合材料。试验证明氧化物分散在铁基体中能提高铁基体的抗蠕变性能。这是首次对铁基复合材料进行的研究。

１９７１年，文献［２］制备了Ａｌ２Ｏ３颗粒弥散强化铁基复合材料，通过电子显微镜观察了颗粒与基体的界面结合情况，发现表面活性元素可有效降低界面能。

１９７５年，文献［３］采用粉末冶金法制备了ＴｉＣ颗粒增强铁基复合材料，采用粉末烧结成形工艺。发现ＴｉＣ颗粒的加入提高了材料的硬度、强度和耐磨性，同时证明颗粒的体积分数将很大程度上决定了材料的性能。

１９８３年，文献［４］采用粉末冶金法将炭黑、Ｖ粉（或Ｔｉ粉或Ｃｒ粉）与铁粉混合，在１３００～２０００Ｋ温度间烧结成形，获得了原位ＶＣ／Ｆｅ（Ｔｉ／Ｆｅ或Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ）铁基复合材料。研究显示，ＶＣ／Ｆｅ和ＴｉＣ／Ｆｅ比

Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ容易烧结，且性能优于Ｃｒ３Ｃ２／Ｆｅ　，其硬度和耐磨性很高，可用于制作刀具。

１９９０年，文献［５］将ＴｉＣ陶瓷颗粒加入Ｆｅ－Ｃ合金熔体中，并外加电磁搅拌，制备了ＴｉＣ／Ｆｅ复合材料。研究发现复合材料的显微结构与合金熔体的成分、外加ＴｉＣ的体积分数及颗粒尺寸、混合温度与时间及冷却速率都有关。并指出复合材料的耐磨性能随着ＴｉＣ体积分数的增加而增加，随着颗粒尺寸和颗粒间距的增大而降低。

１９９６年，英国诺丁汉大学和英国ＬＳＭ公司的研究者利用高温自蔓延烧结工艺（Ｓｅｌｆ　Ｐｒｏｐａｇａ－ｔｉｎｇ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

Ｓｙｓｔｈｅｓｉｓ，简称ＳＨＳ）制备了（Ｗ，Ｔｉ）Ｃ／Ｆｅ复合材料，碳化物呈球形，直径在１～１０μｍ之间，在基体中分布均匀。且可根据使

用性能的要求调整碳化物的质量分数。

１９９９年，文献［６］采用高能电子束辐射工艺，成功制备了ＴｉＣ／Ｆｅ表面复合材料。他们将ＴｉＣ颗粒与熔剂材料（ＭｇＯ－ＣａＯ）混合制成的粉末涂覆于碳钢基体上，用高能电子束辐射，使粉末与基体表面熔化，ＴｉＣ颗粒在随后的冷却过程中沉淀并与基体牢固地结合。研究发现熔剂的最佳质量分数为１０％～２０％，颗粒在表面分散均匀，复合材料层厚度可达２．５ｍｍ。试验表明材料的硬度和耐磨性提高很多。

２００７年，文献［７］利用粉末冶金技术，使ＦｅＶ和石墨体系在真空烧结炉中发生碳化反应，生成ＶＣ颗粒分布均匀、颗粒圆整、致密度高的铁基复合材料；通过ＳＥＭ、ＸＲＤ、磨损实验表明，复合材料具有良好的耐磨性能，且ＶＣ颗粒分布均匀，与基体结合良好。

２、制备方法

２．１粉末冶金成形

　粉末冶金是一种制取金属粉末以及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。随着技术的发展，各种新工艺相继出现并得到广泛的应用，这里简单介绍两种：

２．１．１温压技术

温压技术的原理是：将加有特殊润滑剂的预制金属粉末和模具等加热至１３０～１５０℃，并将温度波动控制在±２．５℃以内，然后进行压制、烧结而制得金属粉末冶金结构零件。该工艺只通过一次压制便可生产出高密度、高强度、低成本的粉末冶金零件。

２．１．２流动温压技术

流动温压技术是德国Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ应用材料研究所研发出来的粉末冶金新技术［８］。该工艺是在粉末压制、温压成形工艺的基础上，结合金属粉末注射成形工艺的优点而提出来的一种新型粉末冶金零部件成形技术。其突出优点在于加入了合适比例的微细粉末、加大了润滑剂的含量，从而使得粉末的流动性能、填充能力和成型能力得到了明显的提高，当零件模型有与压力方向垂直的部位或是带孔洞、螺纹等形状的复杂形状时，这种成形方法显示了它的优越性，不需要进行再加工［９］。

２．２金属粉末注射成形

金属粉末注射成形技术（Ｍｅｔａｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ，简称ＭＩＭ）是２０世纪８０年代发展起来的，是传统粉末冶金技术和塑料注射成形技术相结合的一种高新技术。ＭＩＭ技术具有精度高、组织均匀、性能优异、生产成本低等优点，其技术的主要工艺过程是：首先选择符合ＭＩＭ要求的金属粉末和黏结剂，在一定的温度下将金属粉末和黏结剂混合，使具有流动性，之后将混合料在加热状态下注入模内成形，然后在经过脱脂脱胶和烧结保温过程即可得到接近致密的制品。由于成形料具有流动性，能均匀填充模腔成形，且模腔内各点的压力相同，所以获得的制品密度高、组织均匀，且力学性能优异［１０］。

２．３选区激光烧结技术

选区激光烧结技术（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，简称ＳＬＳ）是近年发展起来的，集新材料、激光技术、计算机技术于一体的快速原型制造技术。它不需要添加任何黏结剂就能直接加工成形高致密的金属零件。其工艺过程是：由计算机控制高能激光束移动、逐层熔解或烧结摊铺在磨具表面的松散粉末，从而固结成高致密的零部件。ＳＬＳ技术的突出特点是无需模压过程。而且ＳＬＳ还能直接制造模具，更有效地促进了常规粉末冶金技术的发展。

２．４电场活化烧结技术

电场活化烧结技术（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙ）是一项材料制备新技术，也是近年来材料科学界研究的热点之一。其基本原理是：利用外加脉冲强电流形成的电场来清洁粉末颗粒的表面氧化物和吸附的气体，提高粉末表面的扩散能力，再在较低压力下利用强电流短时加热粉体进行烧结致密［１１］。一般而言，电场活化烧结可在没有预压的状态下进行，也无需添加黏结剂，且无需气氛保护。与传统烧结技术相比，电场活化烧结技术具有升温速度快（可达１０００℃／ｍｉｎ）、保温时间短（３～５ｍｉｎ）、烧结温度低，烧结制品密度高、质量好且生产率高等优势，而且经电场活化烧结后，制品的显微结构可以细化，同时可以提高钢的淬透性［１２，１３］。

２．５高温自蔓延烧结

近年来，高温自蔓延烧结工艺（ＳｅｌｆＰｒｏｐａｇａ－ｔｉｎｇ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｓｙｓｔｈｅｓｉｓ，简称ＳＨＳ）也越来越受关注，ＳＨＳ也称燃烧合成法，最大特点是利用反应物内部的化学

能来合成材料。一经点燃，燃烧反应可自我维持，一般不再需要补充能量［１４］。因而工艺过程极为简单，能耗低，生产率高，且产品纯度很高。开始主要制备陶瓷材料，直到９０年代才开始制备整体铁基复合材料。目前，已用此法合成了５００多种材料，如难熔材料、耐磨材料、复合材料、功能材料、发热元件及固体润滑剂等。

３、铁基复合材料存在问题及前景展望

３．１　存在问题

目前，铁基复合材料的增强相一般还都是颗粒相，很少见到有纤维或晶须增强。这是因为铁的熔点为１５３８℃，粉末冶金烧结温度要达到０．７～０．８Ｔｍ（Ｔｍ为基体材料的熔点），因而铁基复合材料的烧结温度较高。若采用纤维或晶须增强，在较高的烧结温度下难以保证其化学和力学的稳定性，而且结构复杂，成本昂贵。

３．２　发展前景

制备工艺由固相法向液相法（特别是原位反应铸造法）转移，这样可以降低制备成本、简化工艺、提高复合材料的性能，同时能满足复杂形状零件的制备条件，因而以适应大规模工业化生产的需要。

增强颗粒不断向高性能方向发展，目前研究最多的增强体是ＴｉＣ和ＶＣ。这是因为ＴｉＣ颗粒在目前所用的增强体中是硬度最高的，它的显微硬度是２８５０～３２００ｋｇ／ｍｍ２（试验力为５０ｇ），ＶＣ为２０９４ｋｇ／ｍｍ２，它们的熔点也非常高。高的硬度和熔点会使复合材料有优异的抗磨性和高温性能，这也显示了铁基复合材料的应用主要在抗磨材料和高温结构材料方面。