鐵基復(fù)合材料演講稿

1、根據(jù)材料復(fù)合情況的不同 , 可分為整體和表面復(fù)合兩大類。 粉末冶金法:顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料多采用成熟的粉末冶金法 來制備 , 即將增強(qiáng)體與基體合金粉末混合后冷壓或熱壓燒結(jié) , 也可 用熱等靜壓工藝。 制造過程的溫度相對(duì)于液相法來說較低 , 基體與增 強(qiáng)物都呈固態(tài), 界面反應(yīng)不嚴(yán)重 , 產(chǎn)品可做到少余量或無余量 , 從而 減少機(jī)加工 , 提高材料利用率。 但該法不適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜和大型的 零件 , 且由于其工藝及裝備復(fù)雜、 生產(chǎn)周期長、 成本高 , 阻礙了它的 應(yīng)用和發(fā)展。鑄造法:(外加增強(qiáng)體顆粒法 這種方法就是將固態(tài)的增強(qiáng)體顆 粒逐步加入并混合于液態(tài)金屬中制得金屬基復(fù)合材料。 但增強(qiáng)相往往 會(huì)

2、因與基體密度不同而產(chǎn)生凝聚、 上浮或下沉 , 難以均勻分布 , 為此 得采用粉料供給器均勻加入增強(qiáng)相材料或采用超聲波、 機(jī)械攪拌或半 固態(tài)鑄造法等。 雖然該方法的設(shè)備與工藝相對(duì)簡單 , 但制件中容易形 成氣孔、 夾雜 , 增強(qiáng)體分布不均勻 , 界面易發(fā)生反應(yīng)等。 該方法要求 增強(qiáng)體與基體之間必須具有良好的潤濕性 , 否則會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)體與基 體結(jié)合不良 , 造成界面剝落。原位反應(yīng)復(fù)合法:是一種新型的金屬基復(fù)合材料制備方法 , 與 以上兩種復(fù)合工藝相比 , 它的增強(qiáng)體顆粒尺寸較細(xì)小 , 表面無污染 , 與基體的結(jié)合為冶金結(jié)合 , 避免了與基體浸潤不良的問題 ; 具有工 藝簡單、 成本低的特點(diǎn)。 將原

3、位反應(yīng)復(fù)合法與鑄造技術(shù)相結(jié)合 , 可制 得形狀復(fù)雜、 尺寸大的構(gòu)件 , 直接得到近凈形化的制品。 此法雖在金屬基復(fù)合材料尤其是輕金屬基復(fù)合材料的制備工藝中占有舉足輕重 的地位 , 但直到近幾年才見到有關(guān)該法用于制備鐵基復(fù)合材料的報(bào) 道。高 溫 自 蔓 延 合 成 :Self Propagating High Temperature Systhesis, 簡稱 SHS 。反應(yīng)迅速 ( 0. 115cm/ s表面復(fù)合技術(shù):A 鑄滲法:鑄滲法是鑄件表面合金化的一種方法 , 即在鑄型型 壁上涂 ( 或貼 覆具有一定配比的合金粉末膏劑 ( 也稱涂覆層或膏 塊 , 當(dāng)澆注成形時(shí) , 金屬液浸透涂料的毛細(xì)孔

4、隙 , 高溫的液態(tài)母 材金屬與合金粉末之間產(chǎn)生強(qiáng)烈熱作用 ( 合金粉末溶解、 熔化或發(fā)生 化學(xué)反應(yīng) 并進(jìn)行物質(zhì)互滲 , 以此改變鑄件表層的結(jié)構(gòu)和性能。 該方 法是在鑄件表面原位生成復(fù)合層 , 具有原位反應(yīng)復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn) , 因 而具有較大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。 但鑄滲法的復(fù)合層厚度難以控制是其致命的 缺點(diǎn)。B 鑄造燒結(jié)法:鑄造燒結(jié)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型制 備表面復(fù)合材料的技術(shù)。 它將一定配比的合金粉末所制成的壓坯貼在 鑄型表面 , 利用澆注過程金屬液的熱量在壓坯中產(chǎn)生巨大的熱流密 度 , 引發(fā)壓坯中高溫化學(xué)反應(yīng) , 生成大量的陶瓷顆粒 , 同時(shí)完成壓 坯的燒結(jié)致密化 , 從而在鑄件表面燒結(jié)反應(yīng)生成

5、表面復(fù)合材料。 該方 法借鑒了鑄滲法在澆注過程中原位實(shí)現(xiàn)表面復(fù)合化這種簡單工藝過程、 自蔓延高溫合成技術(shù)的熱激發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng)和粉末冶金法燒結(jié) 致密化過程 , 但它與這些方法之間有著本質(zhì)的區(qū)別 , 具有自身的本質(zhì) 特征。 與鑄滲法相比 , 鑄造燒結(jié)法可在大大減少粘結(jié)劑加入量的同 時(shí)得到緊實(shí)度和強(qiáng)度相當(dāng)高的壓坯 , 在很大程度上減少或避免復(fù)合層 內(nèi)產(chǎn)生氣孔和夾雜等缺陷 , 鑄件質(zhì)量得到保證。 此外 , 鑄造燒結(jié)法的 壓坯厚度與最終鑄件表面復(fù)合層的厚度相當(dāng) , 故 復(fù)合層的厚度易于 控制 。 因而從根本上克服了鑄滲法的致命弱點(diǎn) ; 與 SHS 技術(shù)相比 , 點(diǎn) 火方式有所不同 , 反應(yīng)速度較慢 ,

6、 克服了 SHS 法過程難于控制的缺 點(diǎn) , 且鑄造燒結(jié)法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品致密化。鑄造燒結(jié)法的燒結(jié)不同于 粉末冶金在恒溫、 還原氣氛甚至真空條件下進(jìn)行的燒結(jié)過程 , 它是在 金屬液凝固過程中進(jìn)行的 , 即是在一般的大氣氣氛下、 溫度不太高且 始終是變化的 , 由于金屬液處于高溫的時(shí)間非常有限而燒結(jié)時(shí)間短 , 故而燒結(jié)機(jī)理不同。鐵基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)顆粒 :20世紀(jì) 70、 80年代粉末冶金 法制備鐵基復(fù)合材料開始流行。這期間增強(qiáng)顆粒的范圍不斷拓展, Al 2O 3、 Cr 3C 2、 TiC 、 NbC 、 WC 、 VC 、 SiC 等作為顆粒增強(qiáng)相均有 研 究。 其中 SiC 、 Cr 3C

7、 2在燒結(jié)過程中易溶于基體,不能作為獨(dú)立的硬質(zhì) 顆 粒 保 留 下 來 ;可 與 基 體 發(fā) 生 反 應(yīng) 生 成 的碳 化 物 相,如 M 6C 和 MC 型碳化物。 NbC,TiC,VC 的熱力學(xué)穩(wěn)定性高 , 適合于 制備鐵基復(fù)合材料 ;Al 2O 3是一種離子鍵陶瓷,它的表面電子被束縛而 帶電 , 很難被金屬潤濕 . 隨著研究工作的不斷推近 , 增強(qiáng)顆粒不斷向高 性能方向發(fā)展 , 目前研究最多的增強(qiáng)體是 TiC 顆粒 . 這是因?yàn)?TiC 硬度高且高溫下穩(wěn)定不易分解 ,TiC 的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能低 ,其合成 反應(yīng)易于進(jìn)行 , 這便于更好地與基體結(jié)合 , 使復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐 磨性和高

8、溫性能 . 因此 , 增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的應(yīng)用主要是耐磨材料和 高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域 .制備工藝由固相法向液相法 (特別是原位反應(yīng)鑄造法 轉(zhuǎn)移 , 這主 要是由于考慮到降低制備成本、簡化工藝和提高復(fù)合材料的性能 , 以 適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需要。復(fù)合材料以顆粒增強(qiáng)為主 , 到目前為止關(guān)于晶須和纖維增強(qiáng)的研 究極少。 這是因?yàn)殍F基復(fù)合材料成形溫度很高 , 用晶須或纖維做增強(qiáng) 體難以保證它的化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性 , 且工藝復(fù)雜 , 成本昂貴。TiC 顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料 :原位顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是當(dāng)今復(fù)合材料研究領(lǐng)域的 熱點(diǎn)之一 , 也是今后金屬基復(fù)合材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。顆粒 增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具

9、有良好的塑性和韌性 , 同時(shí)具有高硬度、 高模量 , 表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能 , 且工藝簡便。 在金屬基復(fù)合 材料中 , 人們對(duì)以鋁、 鎂、 鈦為基體的金屬復(fù)合材料研究得較多 , 而對(duì)鐵基復(fù)合材料研究得較少。將 45鋼和一定比例的 Ti 粉混合 , 在真空熔煉爐中熔化。 為使化學(xué)成分均勻 , 每個(gè)鑄錠通過 3次熔煉。 熔煉完畢 , 打渣 , 去掉雜質(zhì) , 然后 用鋁脫氧去氣 , 在包內(nèi)進(jìn)行變質(zhì)處理 , 從而使碳化物細(xì)化 ; 將鐵水倒入 澆包 , 然后倒入型腔中澆注 , 制得含 Ti 分別為 0.5%,1%,2%,4%(質(zhì)量分 數(shù) 四種成的試樣。利用光學(xué)顯微鏡分析和觀察材料中 TiC 顆粒的形

10、 貌和分布。用 HR2150A 型洛氏硬度計(jì)測(cè)試材料的硬度。從圖 1中可以看出 Ti 含量為 0.5%試樣的基體組織為大量 Fe 3C 和少量鐵素體。 Ti 含量為 1%的試樣的 Fe 3C 量減少 , 鐵素體量增加。 Ti 含量為 2%的試樣的 Fe 3C 量進(jìn)一步減少 , 鐵素體的含量進(jìn)一步增加。 當(dāng) Ti 含量達(dá)到 4%時(shí) , 基體組織主要是鐵素體和少量的滲碳體。因此 可以看出基體組織隨著 Ti 含量的增加發(fā)生了變化 , Fe 3C 量逐漸減少 , 鐵素體量逐漸增加。這主要由于 TiC 是高度穩(wěn)定的高熔點(diǎn)化合物 , 其 熔點(diǎn)高達(dá) 3080 , 其標(biāo)準(zhǔn)生成自由能非常低 , 因此從熱力學(xué)上看

11、 , TiC 是很容易生成且非常穩(wěn)定的。它奪取 Fe 3C 中的 C, Fe 3C 分解 : Fe3C 3Fe+C。從圖 2可以清楚地看到顏色呈灰色、 形狀呈四方形和多邊形的顆 粒分布在各種成分的試樣基體中。 用能譜分析含 Ti 量為 4.0%的鑄態(tài) 試樣中灰色顆粒的成分 , 結(jié)果可以確定灰色顆粒為 TiC 顆粒。從圖 2可以看到 , 含 Ti 為 0.5%的試樣組織中含有極少量的 TiC 顆粒 , 尺寸大 約為 2m(圖 2a; 含 Ti 為 1%的試樣組織中 TiC 顆粒數(shù)量增加 , 而且 尺寸變大 , 大約為 3m(圖 2b; 含 Ti 為 2%的試樣組織中 TiC 顆粒數(shù) 量進(jìn)一步增加

12、 , 尺寸大約為 4m(圖 2c; 含 Ti 為 4%的試樣組織中 TiC顆粒數(shù)量最多,而且尺寸最大,大約為 5 m(圖 2d。 但在含 Ti 量不同 的試樣中, TiC 顆粒的形狀都是四方形和多邊形。 從圖 3 可以看到隨著 Ti 含量的增加,試樣的硬度逐漸增加,當(dāng) Ti 含量達(dá)到 2%時(shí)硬度達(dá)到最大值。 Ti 含量繼續(xù)增加,硬度反而減小。 當(dāng) 這主要是由于加入 Ti 后可以生成 TiC 顆粒,從而增強(qiáng)基體材料。 從金 相照片可以看到,隨著 Ti 含量的增加, TiC 顆粒的數(shù)量和尺寸都在增 加。 試樣的硬度取決于增強(qiáng)相 TiC 的數(shù)量和尺寸,數(shù)量越多,硬度越高; 尺寸越大,硬度越低。 結(jié)論

13、：利用原位復(fù)合的方法、以 45 鋼和 Ti 粉為原料成功制備 了鐵基復(fù)合材料。在 45 鋼中加入 Ti,硬度并非隨著 Ti 含量的增加而 一直增大,當(dāng) Ti 加入量達(dá)到 2%時(shí),硬度達(dá)到最大值。在 45 鋼中原位 生成的 TiC 顆粒尺寸較小,呈規(guī)則的四方形或多邊形,且分布均勻。 根據(jù)文獻(xiàn),我們知道,80%失效是磨損。其中,70% 80%是磨料磨損失效。因 此,提升材料的磨料磨損抗性是非常重要的。大多數(shù)材料只需要表面磨損抗性。 它可以大大延長壽命和促進(jìn)表面磨損抵抗力以提高材料壽命。 金屬陶瓷復(fù)合材料 的不僅有高強(qiáng)度、高硬度、高磨蝕抗性等,而且有更好的韌性和低成本，他們還 有更好的物理化學(xué)屬性和

14、力學(xué)性能。因此人們?cè)絹碓疥P(guān)心金屬基陶瓷合成材料， 這種材料被稱為“21世紀(jì)新型材料” 。 V-PEC是用來制取聚苯乙烯的一種新型工藝，在表面涂刷防火涂料。然后把 它們放在干的型砂中，再震動(dòng)成固態(tài)并且在真空條件下鑄造。在V-PEC工藝下， 傳統(tǒng)工藝中容易出現(xiàn)的氣孔、夾雜等缺陷可以得到改善甚至消除。通過V-PEC工 藝，鐵基原子能達(dá)到搞得尺寸精度以及低的韌性。這種工藝僅僅只用干砂，能夠 減少污染。常被成為“綠色鑄造” 。這種工藝只用了傳統(tǒng)的砂型鑄造的原料和能 源的80%90%。 鑄造花費(fèi)減少了10%30%。 它能夠帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 在這篇文章中，真空法干砂消失模鑄造可以用來生產(chǎn)SiC顆粒和Cr顆粒合成 的鐵基復(fù)合材料。 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)可以用顯微鏡來觀察，可以測(cè)量復(fù)合層的 顯微硬度。復(fù)合材料的抗磨損性能也可以被測(cè)試。 表格一后： 因?yàn)轭w粒和基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度是非常高的。 凸的碳化硅顆粒不容易被剝離, 可以防止材料被磨損時(shí)，其他結(jié)構(gòu)被磨掉。研究表明,結(jié)合著粘結(jié)相和硬質(zhì)顆粒 復(fù)合材料的耐磨性和軟質(zhì)相的成分是緊密相關(guān)的。 當(dāng)磨粒在基體表面起作用的時(shí) 候，軟質(zhì)相首先從基體上被磨掉。在磨損的過程中，只有孤立的硬質(zhì)相保留著。 這些孤立的硬質(zhì)顆粒的屏蔽作用,導(dǎo)致了陰影效應(yīng)。因此,材料的耐磨性提升明 顯。所以 S