本发明涉及一种粉末冶金材料，尤其涉及一种纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料。
背景技术：
铁基粉末冶金材料是用量最大的一类粉末冶金材料，主要应用于结构零件、轴承和磨擦材料等。铁基粉末冶金材料具有成本低、机加工性能好、可焊性好、可热处理等一系列优点。近年来，高铬铁基粉末冶金材料因具有优异的强韧性、硬度及耐磨性能，已成为铁基粉末冶金材料研发的热点。而颗粒增强型铁基粉末冶金材料能够将增强体高硬度、高耐磨性能和基体的高强度、优异韧性结合起来，因而适合在服役条件苛刻（如使用温度高、润滑性差等）的环境中使用，是一种较为理想、极具发展潜力的新材料。
高能球磨（high-energy ball milling，HEBM）是一种制备合金与复合材料通用的技术。它是通过磨球的撞击、碾压等作用，使得球磨中的混合粉末反复的发生焊接、断裂、再焊接，从而引进缺陷（如堆垛层错和位错）或者发生化学反应，极大地改变原始粉末性能和结构，最终制备出强制固溶体、超细晶、非晶材料或合成新的材料。热压烧结（hot-press sintering, HPS）是一种发展较成熟的技术，与传统的烧结方法相比，热压烧结可以使金属粉末在更低的温度以及更短的周期内实现高致密化，特别在制备难成形和烧结粉末冶金材料方面具有独特的优势。
技术实现要素：
本发明的目的是为了改善铁基粉末冶金材料的密度和硬度，设计了一种采用纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的制备原料包括：水雾化Fe粉、电解Cr粉、电解Cu粉、电解Ni粉、电解Mo粉、胶体石墨粉和WC粉。
纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的制备步骤为：初始粉末按95%（Fe-10Cr-1Cu-1Ni-1Mo-2C）+5%WC（质量分数）进行配比，预混合48h后，采用QM-2SP20-CL型行星式球磨机在高纯氩气保护下进行高能球磨，球磨罐材质为不锈钢，磨球材质为碳化钨，球料质量比为8:1。球磨机转速为226r/min，正反转交替时间分别为12min，加、减速时间均为10s。每次烧结时，取20g粉末，装入内径为20mm的石墨模具中，并采用HP-12×12×12（美国 Centorr Vacuum Industries）热压炉进行烧结成形。抽真空至大约1.3×10-2Pa后将含WC颗粒增强高铬铁基粉末先以5℃/min的速率从室温加热至400℃，再以20 ℃/min的速率加热至800℃、保温20min，然后以10℃/min的速率升温到不同的目标烧结温度、保温30min，随后将样品随炉冷却至室温。加热和保温过程中施加50MPa轴向压力。
纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的检测步骤为：采用D8 Advance型X射线衍射仪及NETSCHSTA449C型差示扫描量热仪对球磨粉末的相组成及热行为进行分析。采用Nova Nano SEM 430型扫描电镜观察经4%（体积分数）硝酸酒精溶液腐蚀后的烧结试样的显微组织及试样弯曲断口形貌。采用阿基米德法测量试样的密度，每个试样测3次取平均值。采用 TH320型全洛氏硬度计测试硬度，施加载荷为150kgf，保压时间为20s，测试时在试样表面随机取5个点，最后计算平均值。
本发明的有益效果是：
经过40h球磨后，粉末平均粒径细化至约5µm，Cu、Ni、Mo和C等合金元素均充分固溶于Fe中，形成纳米晶态Fe基固溶体，而WC相未发生明显分解。烧结温度由900℃提高至950℃，烧结样孔隙率急剧降低，密度、硬度显著提高；继续升高烧结温度，试样的密度、硬度逐渐增加，但在1100℃烧结时反而出现下降现象。当烧结温度在1000℃以上时，球磨粉末在热压烧结中可以原位合成M7C3相。当烧结温度为 1000℃时，可以获得接近全致密的烧结态试样，试样的硬度、抗弯强度分别达47.7HRC和 1952MPa。
具体实施方式
实施案例1：
纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的制备原料包括：水雾化Fe粉、电解Cr粉、电解Cu粉、电解Ni粉、电解Mo粉、胶体石墨粉和WC粉。纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的制备步骤为：初始粉末按95%（Fe-10Cr-1Cu-1Ni-1Mo-2C）+5%WC（质量分数）进行配比，预混合48h后，采用QM-2SP20-CL型行星式球磨机在高纯氩气保护下进行高能球磨，球磨罐材质为不锈钢，磨球材质为碳化钨，球料质量比为8:1。球磨机转速为226r/min，正反转交替时间分别为12min，加、减速时间均为10s。每次烧结时，取20g粉末，装入内径为20mm的石墨模具中，并采用HP-12×12×12（美国 Centorr Vacuum Industries）热压炉进行烧结成形。抽真空至大约1.3×10-2Pa后将含WC颗粒增强高铬铁基粉末先以5℃/min的速率从室温加热至400℃，再以20 ℃/min的速率加热至800℃、保温20min，然后以10℃/min的速率升温到不同的目标烧结温度、保温30min，随后将样品随炉冷却至室温。加热和保温过程中施加50MPa轴向压力。纳米WC颗粒增强高铬铁基粉末冶金材料的检测步骤为采用D8 Advance型X射线衍射仪及NETSCHSTA449C型差示扫描量热仪对球磨粉末的相组成及热行为进行分析。采用Nova Nano SEM 430型扫描电镜观察经4%（体积分数）硝酸酒精溶液腐蚀后的烧结试样的显微组织及试样弯曲断口形貌。采用阿基米德法测量试样的密度，每个试样测3次取平均值。采用 TH320型全洛氏硬度计测试硬度，施加载荷为150kgf，保压时间为20s，测试时在试样表面随机取5个点，最后计算平均值。
实施案例2：
球磨20h后，混合粉末的粒径减小，大部分粉末在磨球碾压轧制和冷镦作用下焊合在一起，且可以观察到呈片状粉末的棱角处有撕裂的痕迹，表明粉末在球磨过程中发生焊合的同时发生破裂；经30h球磨后，由于加工硬化效应更为显著，较大的粉末颗粒逐渐破碎成为尺寸较小的颗粒，粉末颗粒的平均粒径和粒径范围明显减小；经过40h球磨后，粉末尺寸较30h球磨后的粉末尺寸仅略有减小，并且此时粉末已基本呈近等轴状，尺寸大小更趋于均匀化，平均粉末直径约为5m。可见球磨过程中粉末颗粒的形状和尺寸均发生了明显变化，随球磨时间延长，粉末颗粒变得更加均匀细小。除磨球对粉末的作用外，由于粉末存在硬质相WC颗粒，加剧了对粉末中软质相的研磨和破碎作用，使得球磨后的粉末颗粒变得更加均匀细小。球磨30h和40h后粉末的粒径相近，主要是因为球磨30h后，粉末已经储存了大量的形变能，强度、硬度增大，此后继续球磨，形变位错增加变得更加困难，粉末断裂和冷焊趋于平衡，因而粉末的粒径大小不再发生明显的变化。
实施案例3：
900℃烧结样品含有尺寸较大的孔隙，孔隙形状呈裂纹状和小孔状，其中裂纹状的孔隙纵向尺寸约为2-3μm左右，说明烧结温度较低，各元素之间的扩散尚未充分，导致烧结样品不致密，仍存在烧结初始粉末颗粒间的边界；950℃下烧结样品的SEM像中存有均匀分散的孔洞，但孔洞尺寸明显减小，并且出现大块状，同时950℃烧结样品主要的物相是铁素体和(Fe, Ni)23C6。这是由于烧结温度提高，原子具有更强的扩散能力，并且元素间的相互扩散与反应更为充分，使得950℃的烧结致密度较900℃大幅提高；1000℃和1050℃下烧结样品基本观察不到孔隙，并且出现大量细小、不同形状的凸起相，呈块状、点状和细小的针状等多种形态，相组成主要为铁素体、M7C3和奥氏体。分析认为，此温度下合金元素具有较强的扩散能力，发生相互扩散反应，使得烧结试样接近全致密，同时可以生成以M7C3为主的多种不同形态的碳化物；1100℃烧结样品形貌主要为近圆块状，尺寸较1000℃、1050℃的更大，并且还可以明显看到被腐蚀掉的珠光体区变大，这说明烧结温度升高至1100℃，碳化物及基体晶粒可能长大。另外，1100℃烧结的试样出现了明显的渗碳体相衍射峰，同时M7C3衍射峰强度减弱。说明烧结温度为1100℃时，试样中的渗碳体含量明显增多，可能导致试样中M7C3等其他碳化物的含量减少。
实施案例4：
随烧结温度升高，烧结样品的密度和硬度均呈先升高后下降的趋势。当烧结温度为 900℃时，试样的密度和硬度分别为7.27g/cm3和40.5HRC，烧结温度升高至950℃时，合金的硬度和密度较900℃时大幅提高，密度和硬度分别达到7.58g/cm3和46.8HRC。当烧结温度为1000℃和1050℃时，烧结样的密度分别为7.63g/cm3和7.64g/cm3，致密度为99.6%以上，同时硬度均超过47.5HRC，高于利用机械合金化结合温压方法制备的含 10%（质量分数）NbC颗粒增强的Fe-Cu-Ni-Mo-C-P粉末冶金材料的硬度33HRC，以及 Fe-Cr-Ni-Co-C粉末冶金材料热处理后的硬度40-43HRC。由于元素扩散速度随烧结温度升高呈指数关系增加，当烧结温度为900℃时，各元素扩散速度相对较低；烧结温度升高至 950℃，合金元素扩散速度增长很快，扩散速度增大必然引起晶粒长大，而被晶界扫过的地方，大量孔隙消失，使材料的密度升高，烧结样品的密度和硬度也大幅增加。另外随烧结温度升高，铁粉颗粒的塑性变形能力提高，且各组元间的交互作用增强，进一步促进了烧结过程进行，有利于烧结致密化。因此在1000℃和1050℃下烧结可得到接近全致密的试样，并且烧结样品具有较高的硬度。然而，在1100℃下烧结样品的密度下降，可能是由于烧结温度较高，晶粒增长驱动力大，导致晶界移动速率大于气孔移动速率，气孔被包在晶粒内部难以排出，使得试样的气孔率增加。此外，烧结温度越高，晶粒越容易长大，可能导致烧结样品硬度下降。
实施案例5：
试样弯曲断口上有大量高密度的短而弯曲的撕裂棱线条，点状裂纹源由断面中部向四周放射的河流花样，具有准解理断裂的特征。同时，有些凹盆中心处存在一些孔洞，这可能是由于烧结样品中存在的微小孔洞，在外力的作用下孔洞会引起强烈的应力集中，从而成为裂纹源。另外，外加的纳米级WC颗粒和烧结过程中生成的细小碳化物在外力的作用下，也可能与基体材料发生分离形成空洞，最终发展成为裂纹源。