原位VCp/Fe复合材料微观结构及热处理工艺研究

【摘要】： 本文通过热力学与动力学计算,研究了原位VCP/Fe复合材料中VC颗粒生成的热力学与动力学条件;利用XRD、SEM、TEM,探讨了复合材料的组织结构与VC颗粒的形貌、微观结构;研究了热处理对复合材料组织与力学性能的影响及对耐磨耐蚀性能的影响,确定了VCP/Fe复合材料的最佳热处理工艺。 热力学计算表明,反应摩尔焓ΔH对VC颗粒的生成影响不大,Gibbs自由能ΔG是影响反应能否进行的主要因素。在Fe-Cr-Ni-V-C五元熔体中,生成Cr7C3的Gibbs自由能最低,低温时(T1579.8K)优先生成,且抑制了其它铬的碳化物的生成。当T1579.8K时,VC的Gibbs自由能最低,随着温度的升高,VC逐渐生成;当温度达到Cr7C3的熔点(1938K)时,Cr7C3分解,VC开始大量形核、长大。 动力学计算得到了VC生成反应在不同温度下的反应速率k与活化能Ea ( Ea = 3.447×10 5J/mol),而且随着反应温度的升高,反应速率逐渐降低。计算表明,当反应温度为1727°C时VC在1分钟内转化了90%。 XRD分析表明,复合材料的基体为铁素体和奥氏体双相组织,增强相为V4C3,有少量的Cr7C3存在。TEM分析进一步证明,增强颗粒为V4C3,并对其[011]方向上的电子衍射斑点进行了指数标定。深腐蚀后的SEM观察表明,复合材料中增强颗粒V4C3在空间呈球状。对复合材料的颗粒粒径分析表明,VC颗粒的体积分数为9.487%,其粒径分布为5~10μm,平均粒径为6.647μm。当VC转化80.74%时,基体含碳量为5.46%。 热处理研究表明,VC颗粒不随热处理工艺而改变;材料淬火后没有得到马氏体,其硬度基本没有变化,但冲击韧性显著提高(ak=15.3 J/cm2),而且复合材料的冲击韧性随着淬火保温时间延长而提高;高温退火使材料的基体由γ-Fe转变为珠光体,铬的碳化物则变得细小弥散,材料硬度和冲击韧性都略有提高(HRC 35.3、11.3 J/cm2)。 材料热处理后磨损实验表明,高温退火改善了材料的基体组织,耐磨性优于基体材料。腐蚀介质中磨损时,经高温退火的复合材料具有最小的累积磨损失重,耐磨耐蚀综合性能最好。最终确定复合材料的热处理工艺为950-980°C保温2h随炉冷却。