SiC顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料的制備及沖蝕磨損性能研究.pdf

1、磨損是機(jī)械零部件失效的主要原因，約有80％是由于磨損造成的。隨著生產(chǎn)設(shè)備的大型化發(fā)展，對(duì)材料的耐磨性提出了更高的要求，但目前傳統(tǒng)金屬材料性能提高有限，難以滿足這一要求。近幾年發(fā)展起來(lái)的顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料由于既保持了金屬熱穩(wěn)定性好、延展性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有陶瓷顆粒的耐腐蝕、抗高溫氧化和耐磨損等特點(diǎn)而備受矚目。本文以承受低應(yīng)力嚴(yán)重沖蝕磨損的泥漿泵、渣漿泵等的易磨損零部件為研究背景，采用負(fù)壓鑄滲法制各SiC/鋼基表面復(fù)合材料，研究了Si

2、C預(yù)制體膏塊的組配和負(fù)壓鑄滲工藝參數(shù)對(duì)SiC/鋼復(fù)合質(zhì)量的影響。通過(guò)對(duì)該復(fù)合材料的宏觀、微觀以及界面結(jié)合組織和成分的分析，進(jìn)而確定了最佳的SiC顆粒/基表面復(fù)合的負(fù)壓鑄滲制備工藝。在自制的漿料射流式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上研究了SiC/鋼基表面復(fù)合材料、Q235鋼、高鉻鑄鐵、低鉻鑄鐵等材料的漿料沖蝕磨損性能，并對(duì)各自的沖蝕磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　 采用負(fù)壓鑄滲工藝技術(shù)，以35鋼為基體，600μm～850μm SiC粒子為增強(qiáng)體，2％的

3、高純粘土為粘結(jié)劑和2％氟化鈉+2％/硼酸為添加劑，通過(guò)控制澆鑄溫度，加以合理的負(fù)壓鑄滲工藝成功制各了SiC/鋼基表面復(fù)合材料。SiC粒子與鋼基體之間形成結(jié)合良好的表面鑄滲復(fù)合層，并存在明顯的復(fù)合層、過(guò)渡區(qū)和基體區(qū)。
　　 對(duì)負(fù)壓鑄滲過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，推導(dǎo)出鑄滲速度和鑄滲復(fù)合層厚度的表達(dá)式。確定了影響負(fù)壓鑄滲速度和深度的主要因素，即：SiC粒子的大小、鋼液的表面張力、鋼液與SiC粒子間的潤(rùn)濕性、鋼液的靜壓頭、鑄型的真空

4、度、鋼液處于液態(tài)的時(shí)間和鋼液的粘度等。理論上得出鋼液澆注過(guò)程中SiC粒子一定會(huì)分解的熱力學(xué)依據(jù)。提出通過(guò)改變?cè)囼?yàn)條件和工藝參數(shù)，進(jìn)而控制反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，可以延緩和阻止碳化硅分解速度。
　　 探討了各種粘結(jié)劑、熔荊及其加入量對(duì)負(fù)壓鑄滲表面復(fù)合質(zhì)量的影響規(guī)律，確定了SiC/鋼表面復(fù)合材料的最佳制各工藝參數(shù)。
　　 提出了當(dāng)鑄件厚度與預(yù)制體厚度之比(λ值)在4～8時(shí)，可以獲得良好的SiC/鋼基表面復(fù)合材料的負(fù)壓鑄滲效果和表面

5、質(zhì)量。
　　 分析了鑄滲表面復(fù)合層的微觀組織、成分、SiC粒子與鋼基體的界面結(jié)合狀況。SiC/鋼表面復(fù)合材料復(fù)合層組織為SiC粒子+鋼基體+石墨，SiC粒子分布均勻、排列比較緊密，無(wú)聚集成團(tuán)現(xiàn)象，界面結(jié)合狀況良好，其與鋼基體之間呈冶金結(jié)合，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。鋼基體主要為鐵素體，在一定條件下也可出現(xiàn)珠光體組織。SiC顆粒周圍的基體顯微硬度值隨著與SiC顆粒中心的距離的增加而逐漸減小，SiC顆粒的加入提高了復(fù)合材料的整體硬度。由于

6、存在過(guò)渡層，從鑄滲復(fù)合層到基體有一個(gè)漸降的硬度梯度，復(fù)合層的硬度也呈梯度分布，這種漸降的硬度梯度有利于提高復(fù)合材料的沖蝕磨損抗力。
　　 通過(guò)調(diào)整SiC預(yù)制體的添加物組配，可以既保證鋼液的浸滲，又防止SiC粒子的分解。SiC粒子與鋼基體界面處的反應(yīng)產(chǎn)物為氧化物和復(fù)雜的復(fù)合氧化物。界面反應(yīng)層的形成改善了SiC顆粒與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度，并減小由于SiC顆粒與鋼基體之間彈性模量和熱膨脹系數(shù)差異而引起的熱應(yīng)力。
　　 綜合運(yùn)用機(jī)械

7、設(shè)計(jì)制造、流體力學(xué)原理及水工原理等知識(shí)，研制了一臺(tái)造價(jià)低廉、操作方便可用于料漿沖蝕磨損試驗(yàn)的料漿沖蝕磨損試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)表明：該試驗(yàn)機(jī)沖蝕磨損數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，適合于耐磨材料對(duì)比選擇以及料漿沖蝕磨損機(jī)理的研究。
　　 SiC/鋼基表面復(fù)合材料的沖蝕磨損試驗(yàn)表明：低角度沖蝕磨損時(shí)，SiC/鋼基表面復(fù)合材料的沖蝕磨損機(jī)理和塑性材料的沖蝕磨損機(jī)理相似，為切削和犁削，45°沖蝕角下復(fù)合材料的相對(duì)沖蝕磨損性最好，其沖蝕耐磨性為Q235鋼的4.0

8、3倍；當(dāng)沖蝕角在60°～90°之間時(shí)，鋼基體對(duì)SiC顆粒的“支撐效應(yīng)”和SiC顆粒對(duì)鋼基體的“保護(hù)效應(yīng)”使復(fù)合材料的磨損量隨著沖蝕角的增大而降低，沖蝕磨損機(jī)理為沖擊斷裂和切削；850μm SiC粒子要比600μm SiC粒子增強(qiáng)SiC/鋼基表面復(fù)臺(tái)材料的沖蝕磨損性能好。隨料漿中石英砂沖蝕粒子的增大，SiC/鋼基表面復(fù)合材料的沖蝕磨損率也隨著增大。
　　 高鉻鑄鐵的沖蝕磨損性能隨沖蝕角度的增大先增大后減小，在60時(shí)出現(xiàn)峰值，沖蝕磨