專利名稱：規(guī)則纖維狀定向共晶自生復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種規(guī)則纖維狀定向共晶自生復合材料的制備方法，通過RE5Mg8合金變質處理共晶成分Fe-C-Mn系白口鑄鐵，在超高溫度梯度高速定向凝固條件下，控制γ-(Fe，Mn)3C共晶兩相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生長，從而制備出新型規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料。屬于新材料制備技術領域。
背景技術：
石墨 方向的理論強度達24605Mpa，鐵素體晶體[111]方向的理論強度達13357Mpa，若石墨長成纖維微晶，和鐵素體結合良好，則Fe-C合金共晶組織的抗拉強度為14878Mpa，此值遠高于任何一種Fe-C合金的強度，這就是纖維增強復合材料設計并有望達到極高抗拉強度的理論基礎。人工合成纖維增強復合材料普遍存在潤濕性、界面反應以及制造工藝復雜等問題，為此有人提出定向凝固制備金屬基共晶自生復合材料的設計理念(陸利明等，《單向凝固Fe-C-Cr合金自生復合材料組織和性能》，鑄造，1995，219)。
金屬基共晶自生復合材料是通過控制共晶合金化學成分與凝固特征，在金屬基體中自生生長出纖維或層片增強相，制成交替定向排列的兩相組織。定向共晶兩相間結合良好，在接近共晶熔點的高溫下仍能保持高強度。Linming Lu等(《Microstructure and mechanical properties of Fe-Cr-C eutectic composites》，Mater.Sci.Eng.，2003，A347214)采用定向凝固技術，使M7C3碳化物呈棒狀排列，從而制備出Fe-Cr-C共晶自生復合材料，其最大拉伸強度是常規(guī)鑄造高Cr白口鑄鐵的7倍(達2300Mpa)，并具有優(yōu)異的高溫性能，大大擴大了Cr系白口鑄鐵的應用范圍。而Fe-Mn-C系白口鑄鐵中的共晶(Fe，Mn)3C相一般以小平面方式優(yōu)先生長，容易分支和彎曲，在奧氏體基體中紊亂分布。因此，規(guī)則定向Fe-Mn-C共晶自生復合材料的制備為國內外Fe基共晶自生復合材料研究領域的一項空白。
梁高飛等(《Effect of Ca-Si agent modifier on the granulation of γ+(Fe，Mn)3Ceutectic particle in an austenite steel》，J.Mater.Sci.，2004，391527)利用超高溫度梯度高速定向凝固技術研究Ca-Si變質劑對γ-(Fe，Mn)3C共晶兩相生長方式影響時發(fā)現(xiàn)，γ、(Fe，Mn)3C在變質元素作用下，以非小平面-非小平面方式生長，共晶體具有規(guī)則纖維狀交替排列結構。該研究為規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料的制備提供了一條新思路。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料的制備方法，以豐富Fe基共晶自生復合材料種類，提高傳統(tǒng)材料使用壽命。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明利用RE5Mg8合金變質處理共晶成分Fe-C-Mn系白口鑄鐵，在超高溫度梯度高速定向凝固條件下，通過影響γ、(Fe，Mn)3C共晶兩相熔化熵值與生長環(huán)境，控制γ-(Fe，Mn)3C共晶兩相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生長，從而制備出規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料。
本發(fā)明方法的具體操作步驟(1)將86.5-92.5wt.％白口鑄鐵(成分為wt.％，＞3.4C，0.48-0.88Mn，0.3-1.0Si，＜0.06P，＜0.03S)、6.0-10.0wt.％FeMn80合金、0.5-1.5wt.％FeSi75合金放入中頻感應電爐中；(2)不氧化法熔煉，當溫度達1473K時脫氧；(3)在包中加入1.0-2.0wt.％RE5Mg8合金進行變質處理，砂型澆鑄得變質合金棒；(4)采用超高梯度定向凝固裝置對變質合金棒進行高速定向凝固，固/液(S/L)界面前沿液相中的溫度梯度(GL)為＞700K/cm，抽拉速度(R)為＞180μm/s，從而制備出規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料。
按照本發(fā)明方法制備的復合材料中，各元素的重量百分比為3.4-4.1C，6.0-10.0Mn，1.0-1.8Si，0.3-0.8Al，0.06-0.15RE，0.10-0.25Mg，0.03-0.07Ca，＜0.038P，＜0.025S，＜0.025O。γ-(Fe，Mn)3C共晶兩相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生長，γ、(Fe，Mn)3C纖維細長，排列規(guī)則，符合纖維增強復合材料設計原則。
本發(fā)明利用RE5Mg8合金變質與高溫度梯度高速定向凝固技術的交互作用，制備出規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料。自生復合材料中，γ-(Fe，Mn)3C共晶兩相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生長，γ、(Fe，Mn)3C纖維細長，排列規(guī)則，符合纖維增強復合材料設計原則。本發(fā)明豐富了Fe基共晶自生復合材料種類，提高了傳統(tǒng)材料使用壽命，方法易控制，可實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模流水線生產。


圖1為本發(fā)明制備的規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料的金相照片。
由圖1可見，γ、(Fe，Mn)3C共晶兩相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生長，γ、(Fe，Mn)3C纖維細長，排列規(guī)則。
具體實施例方式
以下通過幾個具體的實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
實施例1將90.0wt.％白口鑄鐵(成分為wt.％，F(xiàn)e-4.1C-0.5Mn-0.83Si)、8.0wt.％FeMn80合金、0.5wt.％FeSi75合金放入中頻感應電爐中；(2)不氧化法熔煉，當溫度達1473K時脫氧；(3)在包中加入1.5wt.％RE5Mg8合金進行變質處理，砂型澆鑄得變質合金棒；(4)采用超高梯度定向凝固裝置對變質合金棒進行高速定向凝固，固/液(S/L)界面前沿液相中的溫度梯度(GL)為760K/cm，抽拉速度(R)為450μm/s，從而制備出規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料。復合材料的金相照片如圖1所示，γ、(Fe，Mn)3C共晶兩相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生長，γ(Fe，Mn)3C纖維細長，排列規(guī)則。各元素的重量百分比為3.79C，7.85Mn，1.60Si，0.3Al，0.09RE，0.13Mg，0.05Ca，0.025P，0.025S，0.025O。
實施例2將89.0wt.％白口鑄鐵(成分為wt.％，F(xiàn)e-4.1C-0.5Mn-0.83Si)、9.0wt.％FeMn80合金、0.5wt.％FeSi75合金放入中頻感應電爐中；(2)不氧化法熔煉，當溫度達1473K時脫氧；(3)在包中加入1.5wt.％RE5Mg8合金進行變質處理，砂型澆鑄得變質合金棒；(4)采用超高梯度定向凝固裝置對變質合金棒進行高速定向凝固，固/液(S/L)界面前沿液相中的溫度梯度(GL)為780K/cm，抽拉速度(R)為225μm/s，從而制備出規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料。各元素的重量百分比為3.85C，8.10Mn，1.62Si，0.3Al，0.09RE，0.13Mg，0.05Ca，0.025P，0.025S，0.025O。
實施例3將87.5wt.％白口鑄鐵(成分為wt.％Fe-4.1C-0.5Mn-0.83Si)、10.0wt.％FeMn80合金、1.5wt.％FeSi75合金放入中頻感應電爐中；(2)不氧化法熔煉，當溫度達1473K時脫氧；(3)在包中加入1.0wt.％RE5Mg8合金進行變質處理，砂型澆鑄得變質合金棒；(4)采用超高梯度定向凝固裝置對變質合金棒進行高速定向凝固，固/液(S/L)界面前沿液相中的溫度梯度(GL)為760K/cm，抽拉速度(R)為450μm/s，從而制備出規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料。各元素的重量百分比為3.68C，8.64Mn，1.79Si，0.35Al，0.06RE，0.10Mg，0.03Ca，0.025P，0.025S，0.025O。
權利要求
1.一種規(guī)則纖維狀定向共晶自生復合材料的制備方法，其特征在于將86.5-92.5wt.％白口鑄鐵、6.0-10.0wt.％FeMn80合金、0.5-1.5wt.％FeSi75合金放入中頻感應電爐中，其中白口鑄鐵各元素的重量百分比為＞3.4C，0.48-0.88Mn，0.3-1.0Si，＜0.06P，＜0.03S，不氧化法熔煉，當溫度達1473K時脫氧，在包中加入1.0-2.0wt.％RE5Mg8合金進行變質處理，砂型澆鑄得變質合金棒，采用超高梯度定向凝固裝置對變質合金棒進行高速定向凝固，固/液界面前沿液相中的溫度梯度GL＞700K/cm，抽拉速度R＞180μm/s，從而制備出規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料。
2.一種采用權利要求1方法制備的規(guī)則纖維狀定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生復合材料，其特征在于材料中γ-(Fe，Mn)3C共晶兩相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生長，γ、(Fe，Mn)3C纖維細長，排列規(guī)則，各元素的重量百分比為3.4-4.1C，6.0-10.0Mn，1.0-1.8Si，0.3-0.8Al，0.06-0.15RE，0.10-0.25Mg，0.03-0.07Ca，
全文摘要
一種規(guī)則纖維狀定向共晶自生復合材料的制備方法，利用RE
文檔編號C22C33/10GK1570177SQ200410018300
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月13日 優(yōu)先權日2004年5月13日
發(fā)明者梁高飛, 許振明, 宋長江, 劉向陽, 李建國 申請人:上海交通大學