原位（Ti,W）C颗粒增强钢基复合材料的制备与组织、性能研究

论文摘要

现代工业的发展,迫切地需要能在高温、高磨损和承载条件下工作的结构材料,单一的钢铁材料难以满足要求。而将高熔点、耐高温和高硬度的陶瓷颗粒与钢铁材料进行复合,可以得到具有良好的高温性能和耐磨性能的陶瓷颗粒增强钢基复合材料。钢基体熔点高,密度大,传统外加法颗粒加入困难,只适用于局部增强的钢基复合材料。而原位合成法可在钢基体中直接合成增强体颗粒,并直接铸造成型,获得整体增强的复合材料。但是密度过大或过小的颗粒与钢液之间存在密度差,易出现偏析。希望获得与钢液密度一致的颗粒,使得颗粒在基体中均匀分布。为此,通过设计原位反应中由比重较大的W元素取代TiC中的部分Ti原子生成密度接近钢液的（Ti,W）C,以减小与钢基体的密度差,改善偏析。通过热力学计算,采用原位合成法分别制备了不同体积分数的（Ti,W）C颗粒和TiC颗粒增强45#钢基复合材料,研究了其微观组织,探讨了原位（Ti,W）C相的形成机理;通过纵向布氏硬度分布定性地研究了复合材料中颗粒偏析情况;研究并比较了两类复合材料的摩擦磨损性能和磨损机制;分析了Cu元素的加入对原位（Ti,W）C/45#钢基复合材料组织与性能的影响。热力学分析表明,熔体中TiC具有最大的生成可能性,反应在热力学上容易优先进行;微观组织观察和物相分析表明,通过原位合成法可以制备TiC和（Ti,W）C颗粒增强钢基复合材料,颗粒尺寸在10μm以下,复合材料主要由铁素体加珠光体的基体和颗粒相组成。（Ti,W）C相中Ti、C、W三种元素均匀分布,Ti与W的原子比在3:1左右。根据热力学分析和实验结果,认为原位（Ti,W）C相的形成机理为:在Ti-C-Fe-W熔体的反应过程中,Ti原子与C原子将优先结合,形成大量细小的TiC相晶核,而W原子此时主要存在于熔体之中。温度下降,TiC晶核开始团聚,长大。由于W原子与Ti原子原子半径接近,且WC与TiC同属于间隙相,二者结构上有相互替代的可能性,也或者因为TiC具有固溶W原子的能力,使熔体中的W原子进入正在生长中的TiC相,替代部分Ti原子,不断重复这样的过程,最终形成元素分布均匀的（Ti,W）C相。纵向布氏硬度分布表明:15 vol.%TiC/45#钢基复合材料中TiC颗粒出现了一定的偏析,（Ti,W）C/45#钢基复合材料硬度分布均匀,（Ti,W）C相有利于减少偏析;摩擦磨损试验表明:（Ti,W）C/45#钢基复合材料比TiC/45#钢基复合材料具备更好的磨损性能,TiC/45#钢基复合材料的磨损机制分为:磨粒磨损和轻微的粘着磨损,较严重的剥层磨损和氧化磨损,严重的粘着磨损和氧化磨损三个阶段。（Ti,W）C/45#钢基复合材料的磨损较为稳定,初期主要以磨粒磨损和轻微的粘着磨损为主,后期磨损机理主要为氧化磨损和粘着磨损。两种复合材料具有不同的磨损机制。Cu元素加入后,原位（Ti,W）C/45#钢基复合材料基体由铁素体加珠光体变成铁素体为主的组织;Cu在一定程度上促进了颗粒的生成;复合材料布氏硬度有所下降,磨损性能变差,（Ti,W）C/45#钢基复合材料的磨损机制由原来的磨粒磨损,氧化磨损和轻微的粘着磨损变为氧化磨损和严重的粘着磨损,并以粘着磨损机制为主。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 颗粒增强金属基复合材料的研究难点
• 1.2.1 颗粒增强金属基复合材料增强体和基体的选择
• 1.2.2 颗粒与基体的润湿性
• 1.2.3 界面问题
• 1.2.4 颗粒增强的机制
• 1.3 颗粒增强钢基复合材料的制备工艺进展
• 1.3.1 外加增强体颗粒法
• 1.3.2 原位合成颗粒法
• 1.4 原位TiC/Fe 和（Ti,W）C/Fe 复合材料
• 1.4.1 原位TiC 颗粒增强钢基复合材料
• 1.4.2 原位（Ti,W）C 颗粒增强钢基复合材料
• 1.5 本文研究目的及主要内容
• 第二章 实验过程和研究方法
• 2.1 研究的路线
• 2.2 实验原料及实验设备
• 2.3 原位（Ti,W）C 和TiC 颗粒增强钢基复合材料的制备
• 2.3.1 原料的预处理
• 2.3.2 真空电弧炉制备复合材料
• 2.3.3 真空中频感应炉制备复合材料
• 2.4 分析测试方法
• 2.4.1 微观组织观察及物相分析
• 2.4.2 布氏硬度测定
• 2.4.3 摩擦磨损试验
• 第三章 热力学计算与材料微观组织、物相分析
• 3.1 以Fe-Ti-C-Si 体系为基础的热力学计算
• 3.1.1 四元体系的建立
• 3.1.2 四元体系中各反应的自由能判据? G 的计算
• 3.1.3 四元体系热力学计算结果的分析
• 3.2 以吉布斯自由能函数ΦT 为基础的热力学计算
• 3.2.1 吉布斯自由能函数法的导出
• 3.2.2 标准反应吉布斯自由能?G T0 的计算
• 3.3 复合材料的微观组织观察与物相分析
• 3.3.1 真空电弧炉制备的复合材料
• 3.3.2 真空中频感应炉制备的复合材料
• 3.3.3 原位（Ti,W）C 颗粒形成机理探讨
• 3.4 本章小结
• 第四章 （Ti,W）C和TiC增强钢基复合材料的硬度分布及磨损性能与磨损机制
• 4.1 复合材料的硬度分析与颗粒分布
• 4.2 复合材料磨损性能与磨损机制的研究
• 4.2.1 摩擦理论
• 4.2.2 磨损理论
• 4.2.3 试验材料和试验方法
• 4.2.4 载荷对复合材料摩擦磨损行为的影响
• 4.2.5 滑动速度对复合材料摩擦磨损行为的影响
• 4.2.6 原位TiC/45#钢和（Ti,W）C/45#钢基复合材料磨损机理分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 Cu元素对原位（Ti,W）C/45#钢基复合材料的影响
• 5.1 合金元素对金属基复合材料的影响
• 5.2 Cu 对原位（Ti,W）C/45#钢基复合材料微观组织的影响
• 5.3 Cu 对原位（Ti,W）C/45#钢基复合材料性能的影响
• 5.3.1 Cu 对原位（Ti,W）C/45#钢基复合材料硬度的影响
• 5.3.2 Cu 对原位（Ti,W）C/45#钢基复合材料磨损性能的影响
• 5.3.3 Cu 对原位（Ti,W）C/45#钢基复合材料磨损机理的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文