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ZTAp-TiCp增强铁基复合材料的制备及磨损性能研究

范磊  
【摘要】:磨损作为主要的失效形式之一导致大量的材料损失和资源浪费。提高材料耐磨性,减少能源浪费,提高机械设备及构件的使用寿命是现代工业发展的必然趋势。设计新型耐磨材料并对其进行研制是满足我国高端机械装备发展的需要,对实现进口设备国产化,推动我国制造业发展具有重要的意义。本文以毫米级氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒(ZTAp)、钛粉(Ti)、聚乙烯醇(PVA)和铁基自熔合金粉末(Fe45p)为主要原材料,在真空烧结中利用PVA热分解碳化形成的C元素与Ti元素原位合成微米级碳化钛颗粒(TiCp);研究了原位合成TiCp的合理工艺,揭示了 TiCp的形成机制。采用真空烧结技术制备出ZTAp和TiCp混杂强化的ZTAp-TiCp增强铁基复合材料(ZTAp-TiCp/Fe45);通过ZTAp表面镀镍和复合材料热处理进一步改善了复合材料的磨损性能。较深入研究了ZTAp-TiCp/Fe45的两体磨料磨损性能和三体磨料磨损性能,提出了复合材料的磨损机理及ZTAp、TiCp增强颗粒的抗磨机制以及二者的混杂增强作用,为复合材料的耐磨性能设计提供了一定的理论基础。得到以下结论:(1)通过粉末冶金真空烧结的方法制备了铁基自熔合金基体(Fe45m),确定了制备工艺参数;PVA在真空环境下热分解碳化残留于Fe45m中。Fe45m的主要物相组成为α-(Fe-Cr-Ni)、FeCrB、Cr7C3,Fe45m中析出相呈网状,主要沿晶界连续分布,在受到外力作用时,会发生断裂或破碎。Fe45m晶粒尺寸约为100μm。Fe45m的宏观硬度为40.6HRC,基体相的显微硬度为178.9HV,析出相显微硬度为1144.5HV;Fe45m的表观密度为7.53g/cm3。(2)通过热力学计算,Ti与C两种元素可以反应生成TiC。Fe45p-Ti-PVA真空烧结的动力学过程为:首先PVA发生热分解形成碳残留,在609℃开始生成Cr7C3、FeCrB等析出物;在750℃发生Fe的同素异构转变,由α-Fe转变为γ-Fe,结构由体心立方结构转变为面心立方结构;在1085℃时,Ti原子与Fe原子快速扩散形成Fe-Ti体系;Fe-Ti体系的出现,加速了元素的扩散,C原子扩散至Fe-Ti体系后,在1135℃时与Ti原子发生反应形成TiC。设计并制备了原位合成TiCp/Fe45;原位合成的TiCp呈现不规则形状,尺寸为1~3μμm,弥散分布于Fe45m中。原位合成TiCp有效降低Fe45晶粒尺寸,减少FeCrB析出;原位合成TiCp使Fe45m发生细晶强化和Orowan弥散强化。(3)化学镀法成功将镍沉积在ZTAp的表面上,涂层均匀且没有明显的缺陷。在ZTAp表面涂镍的最佳条件为:溶液pH值为4.7~4.8,装载量为15~20g/L,施镀温度为85℃。化学镀镍过程可用原子氢和电化学理论相结合来解释,镍的界面成核比溶液中的自发成核更容易,镍有限沉积在ZTAp表面。ZTAp表面上镍涂层的晶粒尺寸为2~5μm,平均厚度为14μm。(4)以 Fe45m为基体,外加(Ex-situ)ZTAp与原位合成(In-situ)TiCp作为增强相制备了ZTAp-TiCp/F45。当ZTAp形状为不规则、颗粒大小为2mm、体积含量在30vol.%时,ZTAp-TiCp/Fe45基体呈现出现高的硬度,且密度与理论密度相差较小。ZTAp-TiCo/Fe45中,ZTAp受压应力,同时基体受拉应力,形成热膨胀位错强化。镀镍后ZTAp在烧结过程中与基体的表面润湿性提高,界面得到明显改善,ZTAp与Fe45m之间的界面呈非化学键结合;TiCp与Fe45m界面清晰、结合牢固,且无缺陷或杂志。(5)ZTAp-TiCp/Fe45的最优热处理工艺为1075℃开水淬火,淬火保温时间为20min,淬火后在150℃进行回火,回火保温时间为30min。经过热处理ZTAp-TiCp/Fe45基体的硬度大道54.6HRC,与热处理前硬度相比提高了18.2%。热处理后ZTAp-TiCp/Fe45晶界上的析出相明显减少,连续度降低,基本无网状结构。TiCp在热处理过程中发生了部分溶解,晶粒内出现弥散的析出相。ZTAp-TiCp/Fe45热处理强化机理有两种,第一是基体平衡组织变为C、Cr、Ni等原子在Fe晶格中固溶形成非平衡组织,产生固溶强化;第二是晶界析出相以及部分TiCp溶解后,再在晶粒内部析出,形成弥散强化。(6)当ZTAp形状为不规则、颗粒大小为2mm、体积含量在30vol.%时,ZTAp/Fe45表现出最好的抗磨料磨损性能。Fe45m的磨料磨损机制在磨料的作用下形成微切削和微犁沟,在磨损表面发生塑性形变和疲劳剥落。ZTAp抵抗外加载荷和磨料的磨损,降低Fe45m的治理子昂损失,三体磨料磨损试验结果表明,ZTAp和Fe45m中原位合成TiCp可以有效提高材料的耐磨性。热处理后Fe45m、TiCp/Fe45、ZTAp-TiCp/Fe45都比其热处理前表现出更优良的耐磨性能。ZTAp对基体的保护作用和基体对ZTAp的支撑作用相互支持作用提高复合材料的耐磨性。原位合成TiCp降低因塑变导致的材料质量损失。试验载荷越大,ZTAp-TiCp/Fe45基体磨损量也越大;加载速率越低,划伤区域越大,产生塑性变形的距离也就越长,磨损过程中造成材料质量损失也就越大。毫米级ZTAp以其高硬度对外加载荷起到承载作用,并有效抵抗了磨料的划伤作用。经过ZTAp作用的磨料由于发生偏转对基体(TiCp/Fe45)的划伤作用变小,从而难以将TiCp直接从Fe45m中直接退出。微米级TiCp发挥抵抗磨料划伤的作用。上述研究结果对毫米级颗粒与微米级颗粒混杂增强金属基复合材料的研究和应用提供了理论和实验依据。


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