本發(fā)明涉及冶金，具體涉及一種二步還原鈦精礦原位合成al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

1、鋼鐵材料是鐵碳合金體系材料的總稱，豐富的鐵礦儲量以及相對低廉的冶煉成本使得鋼鐵材料成為目前用途最為廣闊的結(jié)構(gòu)材料，被稱為“工業(yè)骨骼”，在石油化工、冶金機(jī)械、采礦、航空航天以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。鋼鐵材料本身具備優(yōu)良的機(jī)械性能，同時能通過添加各種合金元素(如鎳、鉻、錳等)來提高其在耐磨性，耐蝕性、高溫穩(wěn)定性等方面的特殊性能。但隨著生產(chǎn)需求的提高與工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，航空航天、高速鐵路、高性能汽車等尖端工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系母黜?xiàng)性能提出了更高的要求，傳統(tǒng)單一的鋼鐵材料已無法滿足尖端工業(yè)的需求。

2、金屬基復(fù)合材料是以金屬或合金為基體，以一種或幾種具有特定性能(如：耐磨性，耐蝕性、高溫穩(wěn)定性等)的金屬或非金屬纖維、晶須、顆粒等為增強(qiáng)相，通過外加或者原位生成的方式使兩者冶金結(jié)合形成的復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料因其特有的高比強(qiáng)度和比剛度，耐磨和耐高溫等優(yōu)良性能，成為替代傳統(tǒng)單一金屬材料的首選結(jié)構(gòu)材料，引起國內(nèi)外材料研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，現(xiàn)已成為現(xiàn)代復(fù)合材料體系的一個重要分支。

3、鋼鐵材料的原料資源豐富、成本低以及本身具備的各項(xiàng)優(yōu)異性能，使得以其為基底制備的鋼鐵基復(fù)合材料具備極大的應(yīng)用前景，但目前有關(guān)金屬基復(fù)合材料的研究主要以al、mg、ti等金屬或合金為基體，鋼鐵基復(fù)合材料的研究則仍處于起步階段。其中顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料因低成本、易成型等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的廣泛關(guān)注。顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法也主要分為外加增強(qiáng)體復(fù)合法和原位生成復(fù)合法，增強(qiáng)相顆粒主要為氧化物陶瓷顆粒、碳化物陶瓷顆粒和氮化物陶瓷顆粒等。外加增強(qiáng)體復(fù)合法如鑄造復(fù)合、粉末冶金復(fù)合等工藝往往采用高純度的鋼鐵材料和增強(qiáng)相顆粒作為合成原料，存在工藝復(fù)雜、成本昂貴、增強(qiáng)相顆粒易團(tuán)聚等問題。相比之下，原位生成復(fù)合法由于制備工藝相對簡化、材料制造成本低、材料性能優(yōu)異可控等優(yōu)點(diǎn)而日益受到研究者的重視。氧化物陶瓷顆粒例如al2o3，硬度高，耐磨性好、高溫穩(wěn)定性好，作為增強(qiáng)相能夠有效提高鐵基復(fù)合材料的高溫抗蠕變性能，但al2o3顆粒與鋼鐵的潤濕性較差，當(dāng)采用外加增強(qiáng)體復(fù)合法時，al2o3顆粒與基體界面結(jié)合不夠緊密容易產(chǎn)生鑄造缺陷，而原位生成復(fù)合法可以在根本上可以解決al2o3等氧化物陶瓷顆粒與鋼鐵基底潤濕性差的問題。碳化物如tic與鋼鐵材料的潤濕性較好，同時具備高硬度、耐磨耐腐蝕和高彈性模量等特點(diǎn)，但是碳化物增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的高溫抗蠕變性能較差，這將極大地影響復(fù)合材料的應(yīng)用價值。

4、我國雖然鋼鐵資源豐富，但大部分鐵礦石的品味較低，多金屬共生礦比例高。四川攀西地區(qū)豐富的釩鈦磁鐵礦資源就是典型的多金屬共生礦，其釩、鈦、鐵等資源儲量均位居全國前列。攀西釩鈦磁鐵礦經(jīng)過多次選礦流程后可得到釩鈦磁鐵精礦和鈦精礦，其中鈦精礦的主要成分是fetio3，由于無法做到同時回收利用其中的fe和ti，一般會通過電爐熔煉等方式將鈦精礦中的鐵氧化物還原分離，然后在進(jìn)行鈦資源的回收利用，因此整個鈦精礦的利用流程較為復(fù)雜，耗時長、能耗高、碳排放高。

5、針對鈦精礦中fe和ti元素同時回收利用難的問題，相關(guān)學(xué)者提出利用鈦鐵礦中豐富的ti、fe資源，通過鋁熱和碳熱一步還原直接原位合成al2o3-tic雙增強(qiáng)相鐵基復(fù)合材料。此方法是通過向鈦精礦中添加一定比例的鋁粉和碳粉，在高溫下利用金屬鋁還原脫除fetio3中的氧并原位生成al2o3，被還原的金屬鈦與c結(jié)合原位生成tic，進(jìn)而得到al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料。然而，鋁熱還原fetio3是一個強(qiáng)放熱過程，自生tic反應(yīng)也過于劇烈，原位生成的增強(qiáng)相與基體界面間容易因溫度過高產(chǎn)生鑄造缺陷，影響復(fù)合材料的整體性能。同時，鈦精礦中fetio3中的氧會全部與al反應(yīng)生成al2o3，導(dǎo)致復(fù)合材料中原位生成的al2o3含量過多，而相關(guān)研究表明，al2o3增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料中al2o3比例應(yīng)低于10％，過多的al2o3反而會影響鐵基復(fù)合材料的整體性能。因此，通過鋁熱和碳熱一步還原鈦精礦原位合成al2o3-tic雙增強(qiáng)相鐵基復(fù)合材料的方法可控性較差，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，不適合工業(yè)大型化生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可控性強(qiáng)，能耗低的二步還原鈦精礦原位合成al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種原位合成al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：

3、s1：將鈦精礦進(jìn)行磨選后得到粒徑為0.1-0.2mm的粉末顆粒原料，然后對此粉末顆粒原料在還原氣氛下進(jìn)行還原和碳化，得到還原-碳氮化產(chǎn)物，還原溫度為1100～1200℃，還原時間為2～3h，還原氣氛為ch4-h2-ar，所述還原氣氛中各氣體的體積占比為：ch4為4～8％，h2為72～96％，ar為10-20％。

4、s2：將鋁粉與s1得到的還原-碳氮化產(chǎn)物混合球磨至0.074mm以下，并利用壓樣機(jī)壓制成塊。

5、其中，鋁粉的添加量其中和分別為s1還原-碳氮化產(chǎn)物中tio2和ti(c,o)的摩爾量，x+y＝1。

6、s3：將s2中得到的塊體進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100～1200℃，燒結(jié)時間為0.5～2h，熱壓壓力為20-25mpa。

7、s4：將s3中得到的燒結(jié)產(chǎn)物進(jìn)行打磨拋光，即得al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料。

8、進(jìn)一步的，所述s1中的鈦精礦先進(jìn)行預(yù)氧化處理，用以改善鈦精礦的還原動力學(xué)條件，預(yù)氧化處理的溫度為900-1000℃，時間為3-4h，空氣氣氛下進(jìn)行。

9、進(jìn)一步的，所述s2中的壓樣機(jī)壓力設(shè)置為20-25mpa，壓制時間為2-4min。

10、進(jìn)一步的，所述s4中的打磨拋光過程需要保證燒結(jié)塊體表面光亮，無肉眼可見劃痕。

11、進(jìn)一步的，所述s1中還原-碳氮化產(chǎn)物中鐵氧化物的還原率≥99％，鈦氧化物的還原率≥96％。

12、一種al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，如上述原位合成al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的方法制備所得。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：

14、1.傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)體復(fù)合法無法解決氧化物陶瓷顆粒增強(qiáng)相與基體浸潤不良的問題。本發(fā)明以al粉深脫氧ti(c,o)的方式原位生成了al2o3增強(qiáng)相，解決了al2o3陶瓷顆粒增強(qiáng)相與基體浸潤不良的問題。同時，相比于單一的tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，本發(fā)明制備的al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料由于有al2o3顆粒的加入，具備良好的高溫抗蠕變性能。

15、2.一步還原原位合成法需要利用金屬鋁將鈦精礦中的鐵氧化物和鈦氧化物全部還原，因此原位生成的al2o3增強(qiáng)相顆粒數(shù)量是固定的，無法進(jìn)行調(diào)控，而過高的al2o3含量將對鐵基復(fù)合材料的性能產(chǎn)生不利影響。本發(fā)明是通過al粉深脫氧還原鈦精礦還原產(chǎn)物ti(c,o)的方式來原位生成al2o3增強(qiáng)相顆粒的，不僅降低了al2o3的生成量，還可以通過調(diào)節(jié)氣基還原過程中的還原溫度，還原時間和氣體成分比例等參數(shù)，來控制ti(c,o)中的氧含量，從而精準(zhǔn)控制原位生成的al2o3含量，獲得性能優(yōu)越的鐵基復(fù)合材料。

16、3.本發(fā)明采用氣基還原法可將鈦精礦中的fetio3還原為fe和ti(c,o)，fe和ti(c,o)潤濕性良好，兩者界面結(jié)合良好，相互分布均勻，al粉深脫氧還原ti(c,o)所生成的al2o3均勻分布在脫氧后的tic顆粒周圍。因此，原位生成的al2o3和tic顆粒能夠均勻分布于鐵基體中，這能夠極大地改善鐵基復(fù)合材料的整體性能。同時，整個脫氧過程相對于鋁熱還原fetio3和自生tic反應(yīng)而言放熱較為緩慢，能夠很大程度避免局部反應(yīng)過熱對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。

17、4、本發(fā)明以鈦精礦為主要原料原位合成al2o3-tic增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，不僅極大的降低了原料成本，還實(shí)現(xiàn)了鈦精礦中鐵與鈦資源的同時回收利用。鈦精礦中存在的微量v、cr、mn元素也是能提高鋼鐵材料各項(xiàng)性能的有利合金元素，而雜質(zhì)mgo在熱壓燒結(jié)過程中與al2o3反應(yīng)生成的mgal2o4，也是一種潛在的增強(qiáng)相材料。同時，本發(fā)明以ch4、h2等清潔能源作為還原劑，環(huán)保清潔，無co2排放，尾氣可回收利用，也降低了后續(xù)熱壓燒結(jié)過程中鋁粉的使用量，在一定程度上降低了制備成本。