Fe-VC复合材料的制备及焊接性研究

论文摘要

目前，由于钨、钴资源日益枯竭，传统的以WC为硬质相、Co为粘接相的复合材料会越来越少，而以铁为基体、VC颗粒为增强相的复合材料将具有诱人的应用前景，立足四川攀西地区丰富的钒钛资源，开展利用粉末冶金原位合成法制备Fe-VC复合材料及其焊接性研究，为Fe-VC复合材料的推广应用提供理论参考依据，具有重要的现实意义。基于铸造法制备颗粒增强Fe-VC复合材料的研究较多，而利用粉末冶金原位合成法制备的还鲜有报道。本文在Fe-V-C三元系碳化反应生成Fe-VC复合材料的基础上，特添加稀土、镍、铬、钼等合金元素，利用粉末冶金原位合成了Fe-VC复合材料。通过不同的成分设计，重点考察稀土、镍对Fe-VC复合材料组织及性能的影响。根据实验结果，选择一种较为优化的成分组合，按照焊接工艺尺寸要求，制备焊接用的Fe-VC复合材料。选择不绣钢焊丝ER309L，氩弧焊焊接Fe-VC复合材料与45#钢。在真空炉中，用纯铜做钎料，通过正交试验，确定较为优化的钎焊工艺，钎焊连接Fe-VC复合材料与45#钢。借助XRD、SEM、EPMA检测手段对复合材料、焊接接头进行组织、形貌、成分分析，按照国家标准对复合材料的硬度、密度，焊接接头的抗拉强度、剪切强度进行测试。Fe-VC复合材料的组织、性能检测结果表明：（1）稀土的加入，净化了晶体表面，改善了Fe与VC颗粒的润湿性，适量的稀土可以促进试样的烧结，但过量的稀土会使颗粒粗大，组织中的孔隙增多，不利于烧结致密化。（2） Ni的加入，进一步改善了Fe与VC颗粒的润湿性，在烧结时可以促使液相的生成，有助于烧结致密化。（3） Fe-VC复合材料的基体组织，随着合金元素含量的增加，逐渐由珠光体转变为马氏体加残余奥氏体。氩弧焊接试验结果表明：（1） Fe-VC复合材料／焊缝、焊缝／45#钢界面实现了良好的冶金结合，拉伸试样的断口位置都在复合材料的焊接热影响区，满足异种金属的焊接要求，其抗拉强度在180MPa左右。（2）在焊缝区域，各元素的含量呈梯度分布，其显微硬度的大小与VC的含量多少一致。分析拉伸试样的断口属于脆性准解理断口。（3）热影响区VC的颗粒大小与复合材料母材中的VC颗粒大小一致。钎焊试验结果表明：（1）在钎焊正交试验中，焊接工艺对钎焊强度的影响显著程度依次为：钎料厚度、钎焊温度、保温时间和搭接长度。（2）在铜与复合材料的界面，铜的边缘呈不规则的锯齿状。（3）当铜熔化时，在铜与铁接触的界面形成铜铁固溶体，进而形成牢固的钎焊接头，其剪切强度在170MPa左右，断裂位置在复合材料侧。实验结果表明：（1）当稀土含量为0.21％，镍含量为3％，在1200℃烧结时，可以得到具有较高密度和硬度的铁基复合材料，其基体组织为马氏体加残余奥氏体，增强相为颗粒细小的VC硬质相。（2）氩弧焊焊接试验所采用的工艺是合适的，没有造成复合材料的开裂、及VC颗粒长大的现象。（3）较为优化的钎焊工艺为：钎料铜箔的厚度为0.4mm，钎焊温度为1100℃，保温时间为10min，搭接长度为13mm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 金属基复合材料及其分类
• 1.2 颗粒增强铁基复合材料的制备技术
• 1.2.1 原位反应合成法
• 1.2.2 非原位反应合成法
• 1.3 颗粒增强铁基复合材料的研究现状
• 1.3.1 碳化钛颗粒增强铁基复合材料的研究现状
• 1.3.2 碳化钒颗粒增强铁基复合材料的研究现状
• 1.4 颗粒增强铁基复合材料的应用
• 1.5 金属基复合材料的连接研究现状
• 1.5.1 粘接
• 1.5.2 机械连接
• 1.5.3 焊接
• 1.6 本课题的研究背景、目的、意义及创新
• 1.6.1 本课题的研究背景、目的和意义
• 1.6.2 本课题研究的创新点
• 1.6.3 本课题研究的内容及技术路线
• 第二章 Fe-VC复合材料的制备及实验方法
• 2.1 试样的制备
• 2.1.1 实验材料的选择及成分配比
• 2.1.2 工艺参数的确定和实验方法
• 2.2 主要实验仪器介绍
• 2.2.1 真空烧结炉
• 2.2.2 PHILIPS X’Pert Pro MPD型X-射线衍射仪
• 2.2.3 JSM-5900LV型扫描电子显微镜
• 2.3 试样的检测
• 2.3.1 球磨粉末的粒度分析方法
• 2.3.2 烧结坯组织分析、密度和孔隙度测试实验方法
• 第三章 稀土、镍对碳化钒颗粒增强铁基复合材料组织、性能的影响
• 3.1 复合材料的密度和硬度
• 3.2 复合材料的相结构
• 3.3 复合材料的组织
• 3.4 稀土对组织及性能的影响
• 3.4.1 适量稀土促进烧结的作用
• 3.4.2 过量稀土对组织及性能的不利影响
• 3.5 镍对组织及性能的影响
• 3.6 本章小结
• #钢的钨极氩弧焊焊接'>第四章 Fe-VC复合材料与45^#钢的钨极氩弧焊焊接
• 4.1 试验材料及方法
• 4.1.1 试验材料的制备
• 4.1.2 焊丝材料的选择
• 4.1.3 焊接工艺
• 4.1.4 力学性能试验
• 4.1.5 组织结构分析
• 4.2 试验结果及分析
• 4.2.1 焊接接头的相结构分析
• 4.2.2 焊缝的组织结构
• 4.2.3 合金元素的扩散
• 4.2.4 焊接接头的显微硬度分布
• 4.2.5 焊接接头的拉伸性能及断口分析
• 4.3 本章小结
• #钢的真空钎焊工艺研究'>第五章 Fe-VC复合材料与45^#钢的真空钎焊工艺研究
• 5.1 试验材料及方法
• 5.1.1 试验材料的制备
• 5.1.2 真空钎料的选择
• 5.1.3 焊接材料的装配
• 5.1.4 焊接工艺
• 5.1.5 力学性能试验
• 5.1.5 组织结构分析
• 5.2 试验结果及分析
• 5.2.1 钎焊工艺参数对试样剪切强度的影响
• 5.2.2 焊接接头的组织、形貌及成分分析
• 5.3 钎焊接头形成机理
• 5.4 力学性能试验
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在校发表论文情况
• 致谢