用鈦鐵礦制備基Ti（C，N）復(fù)合材料的組織控制和工藝優(yōu)化.pdf

1、用Ti(C、N)和Al2O3增強(qiáng)的鐵基復(fù)合材料作為工具材料和耐磨材料表現(xiàn)出了非常優(yōu)良的性能。但目前常用的粉末冶金法制備成本很高，嚴(yán)重制約著這種復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。發(fā)展一種成本低廉的制造技術(shù)是這種復(fù)合材料大量應(yīng)用的關(guān)鍵。本項目結(jié)合我國資源特點(diǎn)，選擇包含有Fe和Ti兩種主體元素的鈦鐵礦(FeTiO3)作為原料，發(fā)展一種用鈦鐵礦直接還原制備鐵基Ti(C、N)復(fù)合材料的低成本新技術(shù)。該成果對金屬基復(fù)合材料反應(yīng)合成理論的發(fā)展有重要意義，一旦實現(xiàn)產(chǎn)

2、業(yè)化將具有重大的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。 該論文采用綜合熱分析儀、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、熱力學(xué)計算等方法和手段系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對鈦鐵礦碳熱還原的影響，弄清了鐵基復(fù)合材料原位反應(yīng)合成的熱力學(xué)機(jī)制；確定了鈦鐵礦石(FeTiO3)直接還原過程中各溫度階段的基本反應(yīng)規(guī)律；確定了反應(yīng)溫度、碳加入量、鐵加入量、球磨過程、反應(yīng)氣氛等對反應(yīng)還原度、反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)速度、增強(qiáng)相的尺寸和分布、增強(qiáng)相的成分等的影

3、響規(guī)律，提出了相關(guān)的影響機(jī)制，確定了優(yōu)化工藝參數(shù)，提出反應(yīng)過程的控制途徑和措施。 論文的主要結(jié)果為：(1)FeTiO3碳熱還原過程中高溫區(qū)存在著兩個典型的吸熱峰。中溫吸熱峰主要對應(yīng)于Ti3O5氧化物的形成；高溫吸熱峰主要對應(yīng)于Ti(C，N)化合物的形成。FeTiO3碳熱還原過程中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物形成規(guī)律的實驗結(jié)果和熱力學(xué)計算結(jié)果相吻合，即低溫階段主要形成TiO2氧化物；中溫階段主要形成Ti3O5氧化物；高溫階段復(fù)合材料中的最終增

4、強(qiáng)相是Ti(C，N)固溶體。(2)空氣氣氛有利于FeTiO3碳熱還原形成Ti(C，N)化合物。在空氣氣氛中，1350～1400℃還原2h以上即可獲得理想的復(fù)合材料反應(yīng)產(chǎn)物(即Ti(C，N)和Fe)；在氮?dú)鈿夥罩?，在不加鐵的情況下，獲得理想反應(yīng)產(chǎn)物的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間將提高到1600℃和4h以上。(3)鐵的加入可以明顯減低FeTiO3碳熱反應(yīng)還原過程中形成Ti3O5和Ti(C，N)的吸熱峰的峰值溫度。在球磨1小時的FeTiO3-4C-xF

5、e體系中1mol鐵的加入可以使Ti3O5形成峰值溫度降低162℃，可以使Ti(C，N)化合物形成峰值溫度降低80℃。(4)鐵的加入明顯加速了FeTiO3-4C反應(yīng)體系的還原速度。在不加鐵的FeTiO3-4C體系中，在氮?dú)鈿夥障录词共捎?600℃×4h的反應(yīng)參數(shù)，仍然不能消除Ti3O5中間氧化物。但當(dāng)體系中加入1mol或1mol以上鐵后，1400℃進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)就可以獲得理想的反應(yīng)產(chǎn)物。(5)在FeTiO3-xC-2Fe體系中，碳加入量的變

6、化對Ti3O5和TI(C，N)形成的吸熱峰峰值溫度影響不大，前者保持在1156℃左右，后者保持在1360℃左右。加入2mol碳的FeTiO3-2C-2Fe體系在1400℃-1600℃的反應(yīng)溫度下不能使Ti3O5中間產(chǎn)物消失，說明碳加入量不足，因而不容易實現(xiàn)FeTiO3的完全反應(yīng)。(6)球磨過程可以明顯減小反應(yīng)粉末尺寸。3小時球磨時間就可以使FeTiO3-4C-xFe體系中粉末平均尺寸從90μm左右降低到36μm以下。繼續(xù)增加球磨時間，粉

7、末尺寸繼續(xù)減小，但幅度明顯減低。(7)球磨過程可以大幅度減低FeTiO3-xC-xFe體系中Ti3O5和Ti(C，N)形成的吸熱峰峰值溫度。在FeTiO3-3.25C-OFe體系中，2h球磨可使Ti3O5峰值溫度從1364℃減低到1170℃；繼續(xù)增加球磨時間Ti3O5形成峰值溫度基本不變。1～5h球磨過程明顯加速FeTiO3碳熱還原過程，但球磨時間超過5h后，還原速度并沒有明顯增加。(8)用FeTiO3作為原料在1400℃進(jìn)行碳熱反應(yīng)制

8、備的鐵基復(fù)合材料主要由Ti(C，N)化合物和鐵基體兩相組成。該復(fù)合材料中Ti(C，N)化合物是塊狀，平均尺寸為3～7μm，和目前商業(yè)化產(chǎn)品的Ti(C，N)化合物形狀一致，尺寸相當(dāng)。反應(yīng)時間、碳加入量和鐵加入量的變化對復(fù)合材料中Ti(C，N)化合物尺寸影響不大，但反應(yīng)溫度會對化合物尺寸產(chǎn)生較大的影響。(9)鐵基復(fù)合材料中Ti(C，N)化合物中C和N比例由工藝參數(shù)所控制。溫度升高時，Ti(C，N)化合物中的比例降低；鐵加入量增加或碳加入量減