韓文華 宋博宇 劉桂榮
【摘 要】通過(guò)自蔓延高溫合成法和真空消失模鑄滲法制備出了TiB2和TiC顆粒增強(qiáng)45鋼基表面復(fù)合材料,研究了熱處理溫度對(duì)表面復(fù)合材料組織的影響。結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)熱處理后復(fù)合材料的復(fù)合層與基體呈良好的冶金結(jié)合,沒(méi)有宏觀和微觀缺陷。TiB2和TiC 顆粒形貌發(fā)生改變,生成的TiB2和TiC顆粒數(shù)量減少、尺寸減小。
【關(guān)鍵詞】表面復(fù)合材料;熱處理溫度;TiC顆粒;TiB2顆粒
中圖分類號(hào): TB333;TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 2095-2457(2019)22-0171-002
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.079
復(fù)合材料由于兼具了基體和增強(qiáng)相的優(yōu)點(diǎn),而被譽(yù)為21世紀(jì)最有潛力的工程材料[1]。金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites,簡(jiǎn)稱MMCs)是以金屬為基體,以金屬或非金屬的長(zhǎng)/短纖維、晶須、顆粒等為增強(qiáng)相的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的金屬材料相比,金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度及耐熱范圍大大提高[2]。本研究以應(yīng)用廣泛的碳鋼為基體,TiB2和TiC顆粒增強(qiáng)相集中分布在易磨損的部位(表面),復(fù)合工藝簡(jiǎn)單,成本低廉。通過(guò)自蔓延高溫合成法和真空消失模鑄滲法制備出的復(fù)合材料內(nèi)部組織致密性和均勻性有待提高。恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢云鸬郊?xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力,使鋼的組織和性能更加均勻,還可使工件表面具有抗磨損、耐腐蝕等特殊物理化學(xué)性能。
本文通過(guò)研究復(fù)合材料的形成機(jī)制,為T(mén)iB2和TiC顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制造開(kāi)辟新的思路和途徑,為先進(jìn)耐磨復(fù)合材料的工業(yè)化和實(shí)用化提供理論依據(jù)和實(shí)用技術(shù)。
1 試驗(yàn)材料及方法
1.1 試驗(yàn)材料
合金粉末預(yù)制塊主要成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比見(jiàn)表1。
將鈦粉、碳化硼粉和鈦鐵粉按比例稱重后放入研磨皿中進(jìn)行充分研磨,目的是使合金粉末混合均勻,以便在自蔓延高溫合成反應(yīng)中生成彌散分布的增強(qiáng)顆粒。充分研磨后,加入少量的脫水硼砂(硼砂放入陶瓷坩堝中加熱翻炒,直到硼砂完全轉(zhuǎn)變成為白色的粉末為止。)繼續(xù)研磨,直至所有粉末混合均勻。將混合均勻的粉末平均分成若干份,每份中均加入合成樹(shù)脂,邊加入邊攪拌,直至干粉消失。
1.2 試驗(yàn)方法
將加入了合成樹(shù)脂的合金粉末放入壓力機(jī)的模具中壓制成Φ30mm×5mm的合金粉末預(yù)制塊,而后放置到通風(fēng)處充分干燥。待合金粉末預(yù)制塊充分干燥后與用ESP做成的澆注系統(tǒng)粘結(jié)在一起,涂掛防粘砂涂料后再放置到通風(fēng)處繼續(xù)干燥,接下來(lái)再涂掛第二次,二次充分干燥后等待澆注。45鋼的冶煉在中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行,澆注溫度控制在1600℃左右。
將成型后的復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械切割并制成大小合適的試樣,以待進(jìn)行熱處理。因45鋼屬于亞共析鋼(wc=0.3~0.6%),故熱處理工藝采用完全退火。完全退火是將鋼件或鋼材加熱至Ac3以上20~30℃。所以對(duì)于45鋼選定820℃、840℃兩個(gè)熱處理溫度對(duì)表面組織的影響進(jìn)行討論,冷卻方式均為隨爐冷卻。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
圖1示出了不同奧氏體化溫度下的過(guò)渡層的顯微組織。圖1(a)示出了復(fù)合材料鑄態(tài)下的組織,由圖知,復(fù)合材料過(guò)渡層與基體界面清晰明顯,過(guò)渡層中黑色相較多,分布較均勻,但仍有偏析現(xiàn)象存在。經(jīng)過(guò)820℃和840℃熱處理后,復(fù)合材料過(guò)渡層與基體交界處黑色相明顯減少,但仍呈良好的冶金結(jié)合,沒(méi)有宏觀和微觀缺陷,如圖1(b)、(c)所示。復(fù)合材料鑄態(tài)組織過(guò)渡層中黑色相多是由于在高溫鋼水的沖擊作用下,復(fù)合層中的增強(qiáng)顆粒向基體擴(kuò)散的結(jié)果。在熱處理過(guò)程中,隨著溫度的升高,增強(qiáng)顆粒重新熔解到了奧氏體中,并在冷卻過(guò)程中不再析出。
圖2示出了復(fù)合材料鑄態(tài)組織和經(jīng)過(guò)840℃熱處理后的復(fù)合層的增強(qiáng)顆粒形貌。鑄態(tài)組織中的增強(qiáng)顆粒數(shù)量較多,尺寸分布不均勻,顆粒邊緣有尖角。經(jīng)過(guò)840℃熱處理后,復(fù)合層中的TiB2和TiC顆粒數(shù)量減少,顆粒尺寸較均勻。TiB2和TiC顆粒在鑄態(tài)下多呈六棱柱和多邊形,熱處理后變得圓整。這是因?yàn)門(mén)iB2和TiC顆粒的尖角增加了顆粒的表面積,使得顆粒的表面自由能升高,原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了向穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡,需要減小自由能,原來(lái)尖角的部位熔化,Ti原子、B原子和C原子自發(fā)地?cái)U(kuò)散到奧氏體中,使得TiB2和TiC顆粒變得圓整。隨著熱處理溫度的升高,復(fù)合層中TiB2和TiC顆粒部分熔解到奧氏體中,使得初生TiB2和TiC數(shù)量減少。
3 結(jié)論
隨著熱處理溫度的升高,復(fù)合層中TiB2和TiC顆粒部分熔解到奧氏體中,復(fù)合材料復(fù)合層組織中TiB2和TiC顆粒增強(qiáng)顆粒數(shù)量減少,尺寸分布均勻,顆粒形貌變得圓整。
【參考文獻(xiàn)】
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