顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的消失模液鍛制備技術(shù)研究.pdf

1、為解決顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料制備過程中顆粒分布不均勻和界面結(jié)合弱化兩大技術(shù)問題，本文提出了一種顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料制備新工藝——消失模液鍛工藝。該工藝?yán)孟＃ㄅ菽d體）攜帶增強(qiáng)顆粒，在載體消失過程實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)顆粒的添加，利用鋼液充型包裹捕捉作用實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)顆粒均勻混入鋼液，然后在壓力作用下凝固成形，最終得到鋼基體內(nèi)部含有均勻分布的抗磨顆粒、組織細(xì)密、界面結(jié)合良好的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。
　　實(shí)驗(yàn)研究了增強(qiáng)顆粒均勻分布于鋼基體的制備工藝條件。

2、采用顆粒平均分散系數(shù)表征和評價(jià)增強(qiáng)顆粒在鋼基體的分布狀態(tài)，并通過圖像分析軟件和Matlab統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算各工藝條件下的平均分散系數(shù)。平均分散系數(shù)越小，顆粒分布越均勻。以TiC增強(qiáng)ZG55SiMn為例，通過正交實(shí)驗(yàn)得到TiC顆粒均勻分布的最優(yōu)工藝為:液鍛比壓80MPa、冷卻速度24.5K.s-1、充型速度107.6mm.s-1、顆粒體積分?jǐn)?shù)10％。在此工藝條件下成形TiC/ZG55SiMn復(fù)合車輪制件，通過室溫拉伸實(shí)驗(yàn)、耐磨性能實(shí)驗(yàn)和硬度測

3、試實(shí)驗(yàn)對復(fù)合材料進(jìn)行性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為: TiC/ZG55SiMn復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為525～560MPa，與未經(jīng)TiC顆粒增強(qiáng)的鋼基體抗拉強(qiáng)度相比有所下降，但硬度達(dá)到HRC58.1，較未經(jīng)TiC顆粒增強(qiáng)的提高了60％-70％;單位長度的磨損量為3.57×10-9 Kg.m-1，僅為未經(jīng)TiC顆粒增強(qiáng)的20％～25％;比模量為6.84MPa.m3.Kg-1，較未經(jīng)TiC顆粒增強(qiáng)的提高了5％。
　　研究了附帶增強(qiáng)顆粒泡沫載體氣化消

4、失行為，建立了金屬模腔加壓充填條件下載體消失產(chǎn)生的氣隙壓力和氣流速度的計(jì)算公式;研究了增強(qiáng)顆粒與鋼液的作用行為，提出了增強(qiáng)顆粒進(jìn)入鋼液的條件、顆粒在鋼液不團(tuán)聚條件和顆粒最終被凝固界面捕獲而均勻分布在鋼基體的條件;研究了制備工藝參數(shù)對顆粒分布和界面結(jié)合的影響規(guī)律。
　　研究了在TiC顆粒均勻分布最優(yōu)的工藝參數(shù)條件下，不同的冷卻速度(2K.s-1、6 K.s-1、15.8 K.s-1、24.5 K.s-1)、不同的顆粒體積分?jǐn)?shù)(2％、

5、5％、10％、15％)和不同的液鍛比壓(40MPa、60 MPa、80 MPa、100MPa)對TiC顆粒分布的影響規(guī)律。采用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)觀察TiC顆粒在鋼基體中的分布情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TiC顆粒易沿著充型方向發(fā)生團(tuán)聚，后充滿部位的TiC顆粒濃度比先充滿的大。TiC顆粒隨冷卻速度增大分布越均勻;當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)小于10％時(shí)，TiC顆粒隨顆粒體積分?jǐn)?shù)增大分布越均勻，但當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)大于10％以后，TiC顆粒隨顆粒體

6、積分?jǐn)?shù)增大而變得不均勻;隨液鍛比壓增大TiC顆粒分布越均勻，當(dāng)液鍛比壓大于100Mpa以后，隨液鍛比壓變化TiC顆分布變化不明顯。
　　通過掃描電鏡觀察拉伸試樣斷口處和磨損實(shí)驗(yàn)試樣表面TiC顆粒的剝落情況，研究不同液鍛比壓對界面結(jié)合的影響作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在較低的液鍛比壓條件下，界面結(jié)合不好，界面附近存在微孔，TiC顆粒與鋼基體脫離或被拔出，保持著圓整的顆粒狀。說明，在較低的應(yīng)力下裂紋即可沿著界面脫離方向擴(kuò)展，最后連接在一起造成材

7、料的脆性斷裂。隨著液鍛比壓的增大，界面結(jié)合良好，其斷裂機(jī)制是TiC顆粒碎化，形成裂紋，然后沿著界面處擴(kuò)展，最后引起界面撕裂。裂紋擴(kuò)展過程需要在鋼基體中產(chǎn)生大量的局部塑性變形并消耗大量的應(yīng)變能，界面有足夠的強(qiáng)度，復(fù)合材料可承受更大的外加載荷。
　　通過電子顯微探針(EPMA)和X射線衍射分析(XRD)，研究Ni包覆TiC顆粒對界面的影響作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)8％Ni包覆的TiC顆粒與鋼基體的界面區(qū)域主要物相為Fe3Ni2，界面影響區(qū)