【摘要】：高硼鐵基合金是一種用廉價(jià)的硼取代昂貴合金元素的新型耐磨材料。其組織中的硼碳化物硬質(zhì)相硬度很高,對材料的抗磨性能提供主要貢獻(xiàn)。但由于硼碳化物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會嚴(yán)重割裂基體,造成材料韌性及其它性能的急劇降低,極大限制了高硼鐵基合金的應(yīng)用。本論文針對Fe-Cr-B-C系高硼鐵基合金中網(wǎng)狀連續(xù)分布的硼碳化物硬質(zhì)相,利用合金化、單一變質(zhì)、復(fù)合變質(zhì)、熱處理等控制及改善其組織中的硬質(zhì)相數(shù)量、形態(tài)及分布,使Fe-Cr-B-C系高硼鐵基合金的力學(xué)性能和耐磨性明顯提高。論文首先在其它元素含量(C 0.45%、Cr 5.0%、W 1.0%、Mo 1.8%、V 0.8%)確定的前提下,研究了B含量為1.0-2.5%時(shí),對Fe-Cr-B-C系高硼鐵基合金中硬質(zhì)相的形態(tài)、材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。隨著B增加,硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)增大,服從擬合公式y(tǒng)=15.765x+1.3692,其形態(tài)明顯變寬、變粗；材料的硬度逐漸增加(51.1～53.4 HRC),而沖擊韌性降低(4.84～2.41 J/cm2)；當(dāng)B為1.5%時(shí),獲得最佳力學(xué)性能：硬度51.8 HRC,韌性4.35 J/cm2。利用第一性原理對Fe-Cr-B-C系合金中硬質(zhì)相的的熱力學(xué)和力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：M2B較M3(B,C)更穩(wěn)定,同時(shí)Cr和Mo元素的溶入,能夠進(jìn)一步提高M(jìn)2B和M3(B,C)型化合物穩(wěn)定性和力學(xué)性能。所獲得的熱力學(xué)和力學(xué)性能數(shù)據(jù)對相關(guān)研究具有參考價(jià)值。論文采用不同含量的單一變質(zhì)劑RE、Mg、Ti對1.5%B、0.45%C高硼鐵基合金進(jìn)行變質(zhì)處理,研究了單一變質(zhì)劑對硬質(zhì)相形態(tài)的影響規(guī)律。稀土變質(zhì)時(shí),硼碳化物網(wǎng)狀組織細(xì)化,奧氏體尺寸稍有減�。绘V變質(zhì)時(shí)硼碳化物網(wǎng)狀組織細(xì)化明顯,但是奧氏體尺寸變化不大；鈦?zhàn)冑|(zhì)時(shí),共晶硼碳化物網(wǎng)狀厚度變薄,顆粒變小,奧氏體尺寸減小。并分別討論了化合物CeO2、Ce2O2S、MgS、TiC等作為異質(zhì)核心,細(xì)化初生奧氏體及共晶硼碳化物的變質(zhì)機(jī)理。當(dāng)變質(zhì)劑含量分別為0.6%RE、0.5%Mg和0.4%Ti時(shí),硬質(zhì)相斷網(wǎng)效果最明顯,硬質(zhì)相顆粒分別細(xì)化到8.75μm、6.57μm和6.78μm。變質(zhì)前合金硬度為51.8 HRC,沖擊韌性為4.35 J/cm2。經(jīng)過0.6%RE變質(zhì)后,合金硬度和沖擊韌性分別為53.5 HRC和5.1 J/cm2,為；經(jīng)過0.5%Mg變質(zhì)后,硬度和沖擊韌性分別為53.3 HRC和4.7 J/cm2；經(jīng)過0.4% Ti變質(zhì)后,硬度和沖擊韌性分別達(dá)到53.5 HRC和5.6 J/cm2。在單一變質(zhì)基礎(chǔ)上,選擇了0.6%RE+0.5%Mg+0.4%Ti復(fù)合變質(zhì)劑對Fe-Cr-B-C高硼鐵合金進(jìn)行變質(zhì)處理。結(jié)果表明：硼碳化物網(wǎng)狀組織基本消失,轉(zhuǎn)變?yōu)槎提槧詈忘c(diǎn)狀,等效直徑進(jìn)一步細(xì)化到5.26 gm,硬質(zhì)相顆粒數(shù)顯著增加,體積分?jǐn)?shù)較未變質(zhì)和單一變質(zhì)明顯降低,而基體中Mo、W、V等合金元素的含量則明顯升高。合金硬度增加到56.0 HRC,沖擊韌性為9.0 J/cm2。探討了復(fù)合變質(zhì)機(jī)理,表明：稀土、鎂能凈化鋼液脫O、除S。在鋼液的冷卻過程中,CeO2、Ce2O2S、MgS, TiC與鐵素體、奧氏體及硼碳化物都有極低的錯(cuò)配度,這些相作為奧氏體和共晶硼碳化物的異質(zhì)核心。鈰、鎂等吸附在奧氏體或斷開的硼碳化物結(jié)晶前沿,阻礙長大,最終使硼碳化物斷網(wǎng)成球狀。此外稀土和鈦還能形成復(fù)雜的大夾雜,成為異質(zhì)形核點(diǎn)。在復(fù)合變質(zhì)的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步研究了不同淬火溫度熱處理對硼碳化物的影響規(guī)律。結(jié)果表明,硬質(zhì)相的大小和體積分?jǐn)?shù)均先降低后升高,但變化不顯著。當(dāng)采用1000℃淬火+500℃回火工藝后,硼碳化物網(wǎng)狀全部消失,呈顆粒狀分布,數(shù)量增多,等效直徑達(dá)到5.9μm,合金抗彎強(qiáng)度達(dá)到1584.3 MPa,硬度和沖擊韌性分別達(dá)到59HRC和11.5 J/cm2,較未變質(zhì)合金分別提高了13.9%和164.4%。論文最后研究了Fe-Cr-B-C系高硼鐵基合金在未變質(zhì)、復(fù)合變質(zhì)、復(fù)合變質(zhì)+1000℃淬火和500℃回火后在500℃下的高溫摩擦磨損性能。結(jié)果表明,未變質(zhì)合金(M0)、復(fù)合變質(zhì)(H0)、復(fù)合變質(zhì)+1000℃淬火合金(H2)耐磨性分別達(dá)到了HSS (W18Cr4V)的1.0、1.1、1.4倍。復(fù)合變質(zhì)+熱處理的合金中含有高硬度,均勻、分散、圓整的硼碳化物和高韌性板條馬氏體,具有很好的抗切削磨損和抗疲勞磨損能力,表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。Fe-Cr-B-C系高硼鐵基合金在高溫磨損時(shí),主要發(fā)生了粘著磨損、氧化磨損、磨料磨損及耐磨硬質(zhì)相的斷裂�？傊�,本文通過B含量優(yōu)化、復(fù)合變質(zhì)、熱處理工藝,對Fe-Cr-B-C系高硼鐵基合金中硼碳化物硬質(zhì)相的形態(tài)及分布進(jìn)行了有效控制和優(yōu)化,顯著提高了該新型耐磨合金的力學(xué)性能和耐磨性,并探討了各種變質(zhì)劑對硬質(zhì)相形態(tài)控制的機(jī)理。論文研究對Fe-Cr-B-C系高硼鐵基合金的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),并對相關(guān)研究提供借鑒作用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG135.6

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本文編號：2425375