顆粒增強鋼基復(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鋼基復(fù)合材料制備新工藝——消失模液鍛工藝。該工藝利用消失模（泡沫載體）攜帶增強顆粒，在載體消失過程實現(xiàn)增強顆粒的添加，利用鋼液充型包裹捕捉作用實現(xiàn)增強顆粒均勻混入鋼液，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、組織細密、界面結(jié)合良好的顆粒增強復(fù)合材料。
　　實驗研究了增強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)表征和評價增強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)計軟件計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ZG55SiMn為例，通過正交實驗得到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、顆粒體積分數(shù)10％。在此工藝條件下成形TiC/ZG55SiMn復(fù)合車輪制件，通過室溫拉伸實驗、耐磨性能實驗和硬度測

3、試實驗對復(fù)合材料進行性能測試。實驗結(jié)果為: TiC/ZG55SiMn復(fù)合材料的抗拉強度為525～560MPa，與未經(jīng)TiC顆粒增強的鋼基體抗拉強度相比有所下降，但硬度達到HRC58.1，較未經(jīng)TiC顆粒增強的提高了60％-70％;單位長度的磨損量為3.57×10-9 Kg.m-1，僅為未經(jīng)TiC顆粒增強的20％～25％;比模量為6.84MPa.m3.Kg-1，較未經(jīng)TiC顆粒增強的提高了5％。
　　研究了附帶增強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算公式;研究了增強顆粒與鋼液的作用行為，提出了增強顆粒進入鋼液的條件、顆粒在鋼液不團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)、不同的顆粒體積分數(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。實驗結(jié)果表明TiC顆粒易沿著充型方向發(fā)生團聚，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)顆粒體積分數(shù)小于10％時，TiC顆粒隨顆粒體積分數(shù)增大分布越均勻，但當(dāng)顆粒體積分數(shù)大于10％以后，TiC顆粒隨顆粒體

6、積分數(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驗試樣表面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。實驗結(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，其斷裂機制是TiC顆粒碎化，形成裂紋，然后沿著界面處擴展，最后引起界面撕裂。裂紋擴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。實驗結(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)