【摘要】：高速鋼由于其較高的硬度、優(yōu)良的耐磨性和耐熱性,逐漸從傳統(tǒng)的刀具材料擴展至高溫軋輥、軸承、機械零件及高檔冷作模具等領域,且需求量呈日益增加的趨勢。然而,在傳統(tǒng)高速鋼耐磨材料中含有大量W、Mo、Cr、V和Co等金屬元素,生產成本較高,嚴重制約了該材料的推廣和應用。尤其是近年來金屬價格的不斷攀升,開發(fā)出生產成本低,滿足實際工況需求的新型耐磨材料成為研究者亟待解決的重要科學問題。研究表明,通過在傳統(tǒng)高速鋼耐磨材料中添加適量的硼元素,能夠在基體中獲得硬度更高、熱穩(wěn)定性更好的硼化物硬質相,具有較好的應用前景。然而,硼元素對硼碳化物硬質相析出行為,以及凝固過程中的相平衡熱力學與組織性能的關系仍不明確�；诖�,本論文首先詳細分析了高硼高速鋼的凝固過程、析出相、微合金化、熱處理及強韌性機理等關鍵科學問題,并闡述了硼碳化物硬質相的形成機制及熱力學設計方法。基于材料熱力學的亞晶格點陣模型、亞規(guī)則溶體模型和密度泛函理論,構建析出相的熱力學模型,闡明各析出相的電子結構和熱力學特性,并確定合金含量對析出相的影響規(guī)律,揭示合金元素在析出過程中的相互競爭機制,探索合金元素對組織和性能的調控機理。在此基礎上,根據(jù)成分優(yōu)化結果制備了高硼高速鋼試樣,研究了高硼高速鋼鑄態(tài)微觀組織,碳硼化物形態(tài)及元素分布,探索淬火和回火工藝對微觀組織的作用機制,揭示并驗證熱力學模型對合金的性能調控機理。同時,本文還研究了高硼高速鋼在凝固行為中合金分布和物相轉變的動力學過程,探索初生奧氏體、共晶析出相和二次析出相的生長行為,揭示析出相的形成機制,為進一步調控和提升高硼高速鋼的性能提供理論依據(jù)。得到以下幾點結論:(1)第一性原理計算表明,隨著B含量的增加,硼碳化物相的硬度明顯增加,其中W_2B的硬度最高(14.56 GPa)。在此基礎上,構建了適合于Fe-M~1-M~2-M~3-M~4-C-B體系析出相的熱力學模型,該模型與Thermo-Calc熱力學軟件的計算結果一致。此外,合金元素的種類是影響析出相和析出量的重要因素:B和Cr有利于M_2(B,C)硼碳化物的析出,而W和Mo能夠促進M_3(B,C)硼碳化物的析出,V對M(B,C)硼碳化物的析出影響最大。(2)給出了熱力學設計的最優(yōu)成分(B:1.4~1.6 wt.%,C:0.40~0.50wt.%,W:0.5~1.0 wt.%,Mo:1.0~1.5 wt.%,Cr:3.0~4.0 wt.%,V:0.75~1.0wt.%)。確定了高硼高速鋼鑄態(tài)組織由珠光體、鐵素體、殘余奧氏體、少量馬氏體和硼碳化物組成,其中硼碳化合物主要沿晶界分布。鑄態(tài)組織中合金分布存在一定的偏析,碳主要分布于基體中,而硼主要分布于晶界,W、Mo、Cr和V等合金元素大部分與C和B在晶界處形成硼碳化物,少量存在于基體中。(3)熱處理工藝指導下,淬火處理后的高硼高速鋼的基體組織轉變?yōu)轫g性較好的低碳馬氏體。同時,硬度和沖擊韌性隨著淬火溫度的升高而逐漸增加。回火處理促進了殘余奧氏體轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體,最佳回火溫度為550℃,此時硬度最高為64.4 HRC。高硼高速鋼的高溫摩擦學行為主要包括氧化磨損,粘著磨損和磨粒磨損。并且摩擦系數(shù)(0.425)和相對磨損率(79%)最小時,淬火溫度為1050℃。(4)硼碳化物析出的特征溫度點分別為1350℃、1220℃、1100℃和1000℃。初生奧氏體于1350℃下析出,組織為初生奧氏體枝晶和沿晶界分布的共晶產物(共晶奧氏體+共晶硼碳化物)。在共晶反應過程中,M_2C碳化物和M_2(B,C)硼碳化物以相互依賴混合生長方式的析出。在1000℃析出的M_3(B,C)硼碳化物呈塊狀或顆粒狀沿共晶硼碳化物與初生奧氏體的晶界或共晶硼碳化物與共晶奧氏體的晶界分布。M_3(B,C)硼碳化物的析出反應大致經歷了合金元素擴散、合金元素在晶界處的聚集、M_3(B,C)的形核和長大等四個階段。
【圖文】：

系統(tǒng)地研究了 Nb、Ta、Ti、Zr、Ca、金元素對 M2 高速鋼凝固過程和組織的影響，并改善 M2 高速鋼性能的后續(xù)研究提供了理論指導擬的方式，研究了不同 Si 含量的 M2 高速鋼的凝 Si 含量的增加，共晶碳化物由層片狀逐步轉變?yōu)榈奈龀隽恳嘣谠黾�；魏世忠[39]等研究了碳含量鋼凝固過程的影響，確定了碳化物的析出順序、應關系。北京工業(yè)大學的楊勇維和符寒光[40]lc 軟件研究了鋁對高硼高速鋼相圖與凝固組織的鋼中的鋁含量增加對相圖中共晶點和共晶溫度相圖中奧氏體區(qū)域；②XRD 測試的物相、DSC 測算結果保持較好的一致性，證實了 Thermo-Calc結果的準確性。

圖 1.2 合金的固相率與液相質量分數(shù)的關系ig. 1.2 Relationship between the solid-state rate and the mfraction of the liquid phase相研究物硬質相特性的研究大致分為兩種手段，，一種是計算出碳化物理想狀態(tài)的晶體結構、物理化學特，這種方法以第一性原理計算為代表；另一種是用先進的檢測設備(如 SEM、TEM、XRD 和 DSI 形貌、晶體結構和力學性能等特性[41~42]。
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG142.1

【參考文獻】

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本文編號：2589529