规则纤维状定向共晶自生复合材料的制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种规则纤维状定向共晶自生复合材料的制备方法，通过RE5Mg8合金变质处理共晶成分Fe-C-Mn系白口铸铁，在超高温度梯度高速定向凝固条件下，控制γ-(Fe，Mn)3C共晶两相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生长，从而制备出新型规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料。属于新材料制备技术领域。
背景技术
石墨[1010]方向的理论强度达24605Mpa，铁素体晶体[111]方向的理论强度达13357Mpa，若石墨长成纤维微晶，和铁素体结合良好，则Fe-C合金共晶组织的抗拉强度为14878Mpa，此值远高于任何一种Fe-C合金的强度，这就是纤维增强复合材料设计并有望达到极高抗拉强度的理论基础。人工合成纤维增强复合材料普遍存在润湿性、界面反应以及制造工艺复杂等问题，为此有人提出定向凝固制备金属基共晶自生复合材料的设计理念(陆利明等，《单向凝固Fe-C-Cr合金自生复合材料组织和性能》，铸造，1995，2：19)。
金属基共晶自生复合材料是通过控制共晶合金化学成分与凝固特征，在金属基体中自生生长出纤维或层片增强相，制成交替定向排列的两相组织。定向共晶两相间结合良好，在接近共晶熔点的高温下仍能保持高强度。Linming Lu等(《Microstructure and mechanical properties of Fe-Cr-C eutectic composites》，Mater.Sci.Eng.，2003，A347：214)采用定向凝固技术，使M7C3碳化物呈棒状排列，从而制备出Fe-Cr-C共晶自生复合材料，其最大拉伸强度是常规铸造高Cr白口铸铁的7倍(达2300Mpa)，并具有优异的高温性能，大大扩大了Cr系白口铸铁的应用范围。而Fe-Mn-C系白口铸铁中的共晶(Fe，Mn)3C相一般以小平面方式优先生长，容易分支和弯曲，在奥氏体基体中紊乱分布。因此，规则定向Fe-Mn-C共晶自生复合材料的制备为国内外Fe基共晶自生复合材料研究领域的一项空白。
梁高飞等(《Effect of Ca-Si agent modifier on the granulation of γ+(Fe，Mn)3Ceutectic particle in an austenite steel》，J.Mater.Sci.，2004，39：1527)利用超高温度梯度高速定向凝固技术研究Ca-Si变质剂对γ-(Fe，Mn)3C共晶两相生长方式影响时发现，γ、(Fe，Mn)3C在变质元素作用下，以非小平面-非小平面方式生长，共晶体具有规则纤维状交替排列结构。该研究为规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料的制备提供了一条新思路。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料的制备方法，以丰富Fe基共晶自生复合材料种类，提高传统材料使用寿命。
为实现这样的目的，本发明利用RE5Mg8合金变质处理共晶成分Fe-C-Mn系白口铸铁，在超高温度梯度高速定向凝固条件下，通过影响γ、(Fe，Mn)3C共晶两相熔化熵值与生长环境，控制γ-(Fe，Mn)3C共晶两相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生长，从而制备出规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料。
本发明方法的具体操作步骤：(1)将86.5-92.5wt.％白口铸铁(成分为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合金放入中频感应电炉中；(2)不氧化法熔炼，当温度达1473K时脱氧；(3)在包中加入1.0-2.0wt.％RE5Mg8合金进行变质处理，砂型浇铸得变质合金棒；(4)采用超高梯度定向凝固装置对变质合金棒进行高速定向凝固，固/液(S/L)界面前沿液相中的温度梯度(GL)为：＞700K/cm，抽拉速度(R)为：＞180μm/s，从而制备出规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料。
按照本发明方法制备的复合材料中，各元素的重量百分比为：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共晶两相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生长，γ、(Fe，Mn)3C纤维细长，排列规则，符合纤维增强复合材料设计原则。
本发明利用RE5Mg8合金变质与高温度梯度高速定向凝固技术的交互作用，制备出规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料。自生复合材料中，γ-(Fe，Mn)3C共晶两相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生长，γ、(Fe，Mn)3C纤维细长，排列规则，符合纤维增强复合材料设计原则。本发明丰富了Fe基共晶自生复合材料种类，提高了传统材料使用寿命，方法易控制，可实现工业规模流水线生产。
【附图说明】
图1为本发明制备的规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料地金相照片。
由图1可见，γ、(Fe，Mn)3C共晶两相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生长，γ、(Fe，Mn)3C纤维细长，排列规则。
【具体实施方式】
以下通过几个具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1：
将90.0wt.％白口铸铁(成分为：wt.％，Fe-4.1C-0.5Mn-0.83Si)、8.0wt.％FeMn80合金、0.5wt.％FeSi75合金放入中频感应电炉中；(2)不氧化法熔炼，当温度达1473K时脱氧；(3)在包中加入1.5wt.％RE5Mg8合金进行变质处理，砂型浇铸得变质合金棒；(4)采用超高梯度定向凝固装置对变质合金棒进行高速定向凝固，固/液(S/L)界面前沿液相中的温度梯度(GL)为：760K/cm，抽拉速度(R)为：450μm/s，从而制备出规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料。复合材料的金相照片如图1所示，γ、(Fe，Mn)3C共晶两相以非小平面-非小平面方式呈交替定向排列生长，γ(Fe，Mn)3C纤维细长，排列规则。各元素的重量百分比为：3.79C，7.85Mn，1.60Si，0.3Al，0.09RE，0.13Mg，0.05Ca，0.025P，0.025S，0.025O。
实施例2：
将89.0wt.％白口铸铁(成分为：wt.％，Fe-4.1C-0.5Mn-0.83Si)、9.0wt.％FeMn80合金、0.5wt.％FeSi75合金放入中频感应电炉中；(2)不氧化法熔炼，当温度达1473K时脱氧；(3)在包中加入1.5wt.％RE5Mg8合金进行变质处理，砂型浇铸得变质合金棒；(4)采用超高梯度定向凝固装置对变质合金棒进行高速定向凝固，固/液(S/L)界面前沿液相中的温度梯度(GL)为：780K/cm，抽拉速度(R)为：225μm/s，从而制备出规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料。各元素的重量百分比为：3.85C，8.10Mn，1.62Si，0.3Al，0.09RE，0.13Mg，0.05Ca，0.025P，0.025S，0.025O。
实施例3：
将87.5wt.％白口铸铁(成分为：wt.％Fe-4.1C-0.5Mn-0.83Si)、10.0wt.％FeMn80合金、1.5wt.％FeSi75合金放入中频感应电炉中；(2)不氧化法熔炼，当温度达1473K时脱氧；(3)在包中加入1.0wt.％RE5Mg8合金进行变质处理，砂型浇铸得变质合金棒；(4)采用超高梯度定向凝固装置对变质合金棒进行高速定向凝固，固/液(S/L)界面前沿液相中的温度梯度(GL)为：760K/cm，抽拉速度(R)为：450μm/s，从而制备出规则纤维状定向γ-(Fe，Mn)3C共晶自生复合材料。各元素的重量百分比为：3.68C，8.64Mn，1.79Si，0.35Al，0.06RE，0.10Mg，0.03Ca，0.025P，0.025S，0.025O。