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反应硼化烧结Mo_2FeB_2基金属陶瓷的组织与性能

余海洲  
【摘要】:反应硼化烧结的Mo_2FeB_2基金属陶瓷具有优异的性能且制备成本相对较低,作为工模具材料有着巨大的潜力和广阔的应用前景。本论文采用热分析(DSC)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)等实验手段系统地研究了Mo_2FeB_2基金属陶瓷的制备工艺、后处理工艺、成分、组织和力学性能等之间的关系。 首先对金属陶瓷在烧结过程中的相变和显微组织演变规律进行了研究。结果表明,金属陶瓷随烧结温度的升高会依次有Fe_2B相、Mo_2FeB_2相、液相L1和液相L2生成,其中Mo_2FeB_2相主要由Mo与Fe_2B的固相反应合成,金属陶瓷在液相L1烧结阶段快速基本致密。在液相烧结过程中,随烧结温度的升高,金属陶瓷的显微组织逐渐变得均匀,同时硬质相颗粒柱状生长。在相同成分的条件下,硬质相颗粒的柱状生长促进了裂纹偏转和颗粒桥接,有利于提高金属陶瓷的断裂韧性。 研究了液相烧结过程中硬质相颗粒的生长机制及部分颗粒的异常长大。结果表明,硬质相颗粒的长大主要通过溶解-析出机制进行,硬质相颗粒的生长速率由界面反应控制。高温液相保温过程中,部分硬质相颗粒的异常长大主要来源于颗粒的二维形核机制,其中颗粒合并是其产生的关键因素。 对金属陶瓷的真空烧结工艺和热等静压工艺进行了研究,结果表明,试样经1_250℃烧结,保温40min,可获得较满意的显微组织和相对较佳的性能。当热等静压处理温度为1130℃时,可提高欠烧试样的抗弯强度和硬度。 研究了合金元素和SiC_w对金属陶瓷组织和性能的影响,得出如下结论:当碳加入量为0.5wt%时,硬质相颗粒有相对较小的尺寸,金属陶瓷具有较高的硬度和相对较好的强韧性。在此基础上,适量的Mn、V或SiC_w均能进一步细化颗粒,提高金属陶瓷的力学性能。Mn细化颗粒的机制为改善金属液相对硬质相的润湿性,V细化颗粒的机制为抑制溶解-析出机制的进行,SiC_w细化颗粒的机制为阻碍硬质相颗粒的晶界迁移。其中当V含量为_2.5wt%时,金属陶瓷的综合力学性能最佳,其抗弯强度为2400MPa、硬度为HRA90.6、断裂韧性为15.1MPa·m~(1/2)。计算了Mo_2FeB_2、(Mo,V)_2FeB_2和Mo_2(Fe,Mn)B_2硬质相的价电子结构。计算结果指出,当硬质相的晶体结构相同时,可用∑I a na来比较其塑性的相对大小。(Mo,V)_2FeB_2相具有相对好的塑性,Mo_2(Fe,Mn)B_2相次之,Mo_2FeB_2相的塑性相对较低。V添加剂改善硬质相的塑性,提高硬质相与粘结相之间的协调变形能力对Mo_2FeB_2基金属陶瓷抗弯强度的提高起着重要作用。用MoFe粉末取代大部分Mo和全部的Fe制备了低成本的Mo_2FeB_2基金属陶瓷。结果表明,与同成分的纯Mo和纯Fe等粉末制备的金属陶瓷相比,低成本金属陶瓷的物相组成和显微组织没有发生明显变化;低成本金属陶瓷尽管硬度轻微降低,但具有相对高的强韧性。用MoFe粉末制备低成本的金属陶瓷是可行的。


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