鐵基復合材料演講稿

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

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相材料或采用超聲波、 機械攪拌或半 固態(tài)鑄造法等。 雖然該方法的設備與工藝相對簡單 , 但制件中容易形 成氣孔、 夾雜 , 增強體分布不均勻 , 界面易發(fā)生反應等。 該方法要求 增強體與基體之間必須具有良好的潤濕性 , 否則會出現(xiàn)增強體與基 體結合不良 , 造成界面剝落。原位反應復合法:是一種新型的金屬基復合材料制備方法 , 與 以上兩種復合工藝相比 , 它的增強體顆粒尺寸較細小 , 表面無污染 , 與基體的結合為冶金結合 , 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。 將原

3、位反應復合法與鑄造技術相結合 , 可制 得形狀復雜、 尺寸大的構件 , 直接得到近凈形化的制品。 此法雖在金屬基復合材料尤其是輕金屬基復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該法用于制備鐵基復合材料的報 道。高 溫 自 蔓 延 合 成 :Self Propagating High Temperature Systhesis, 簡稱 SHS 。反應迅速 ( 0. 115cm/ s表面復合技術: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 , 當澆注成形時 , 金屬液浸透涂料的毛細孔

4、隙 , 高溫的液態(tài)母 材金屬與合金粉末之間產(chǎn)生強烈熱作用 ( 合金粉末溶解、 熔化或發(fā)生 化學反應 并進行物質互滲 , 以此改變鑄件表層的結構和性能。 該方 法是在鑄件表面原位生成復合層 , 具有原位反應復合法的優(yōu)點 , 因 而具有較大的發(fā)展優(yōu)勢。 但鑄滲法的復合層厚度難以控制是其致命的 缺點。B 鑄造燒結法:鑄造燒結技術是近幾年發(fā)展起來的一種新型制 備表面復合材料的技術。 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)壓坯中高溫化學反應 , 生成大量的陶瓷顆粒 , 同時完成壓 坯的燒結致密化 , 從而在鑄件表面燒結反應生成

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

6、 克服了 SHS 法過程難于控制的缺 點 , 且鑄造燒結法可同時實現(xiàn)產(chǎn)品致密化。鑄造燒結法的燒結不同于 粉末冶金在恒溫、 還原氣氛甚至真空條件下進行的燒結過程 , 它是在 金屬液凝固過程中進行的 , 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間非常有限而燒結時間短 , 故而燒結機理不同。鐵基復合材料常用的增強顆粒 :20世紀 70、 80年代粉末冶金 法制備鐵基復合材料開始流行。這期間增強顆粒的范圍不斷拓展, Al 2O 3、 Cr 3C 2、 TiC 、 NbC 、 WC 、 VC 、 SiC 等作為顆粒增強相均有 研 究。 其中 SiC 、 Cr 3C

7、 2在燒結過程中易溶于基體,不能作為獨立的硬質 顆 粒 保 留 下 來 ;可 與 基 體 發(fā) 生 反 應 生 成 的碳 化 物 相,如 M 6C 和 MC 型碳化物。 NbC,TiC,VC 的熱力學穩(wěn)定性高 , 適合于 制備鐵基復合材料 ;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 , 增強顆粒不斷向高 性能方向發(fā)展 , 目前研究最多的增強體是 TiC 顆粒 . 這是因為 TiC 硬度高且高溫下穩(wěn)定不易分解 ,TiC 的標準反應吉布斯自由能低 ,其合成 反應易于進行 , 這便于更好地與基體結合 , 使復合材料具有優(yōu)良的耐 磨性和高

8、溫性能 . 因此 , 增強鐵基復合材料的應用主要是耐磨材料和 高溫結構材料領域 .制備工藝由固相法向液相法 (特別是原位反應鑄造法 轉移 , 這主 要是由于考慮到降低制備成本、簡化工藝和提高復合材料的性能 , 以 適應大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需要。復合材料以顆粒增強為主 , 到目前為止關于晶須和纖維增強的研 究極少。 這是因為鐵基復合材料成形溫度很高 , 用晶須或纖維做增強 體難以保證它的化學和力學穩(wěn)定性 , 且工藝復雜 , 成本昂貴。TiC 顆粒增強鐵基復合材料 :原位顆粒增強金屬基復合材料是當今復合材料研究領域的 熱點之一 , 也是今后金屬基復合材料發(fā)展的一個重要方向。顆粒 增強金屬基復合材料具

9、有良好的塑性和韌性 , 同時具有高硬度、 高模量 , 表現(xiàn)出良好的綜合力學性能 , 且工藝簡便。 在金屬基復合 材料中 , 人們對以鋁、 鎂、 鈦為基體的金屬復合材料研究得較多 , 而對鐵基復合材料研究得較少。將 45鋼和一定比例的 Ti 粉混合 , 在真空熔煉爐中熔化。 為使化學成分均勻 , 每個鑄錠通過 3次熔煉。 熔煉完畢 , 打渣 , 去掉雜質 , 然后 用鋁脫氧去氣 , 在包內(nèi)進行變質處理 , 從而使碳化物細化 ; 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%(質量分 數(shù) 四種成的試樣。利用光學顯微鏡分析和觀察材料中 TiC 顆粒的形

10、 貌和分布。用 HR2150A 型洛氏硬度計測試材料的硬度。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 量進一步減少 , 鐵素體的含量進一步增加。 當 Ti 含量達到 4%時 , 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)定的高熔點化合物 , 其 熔點高達 3080 , 其標準生成自由能非常低 , 因此從熱力學上看

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 Ti 含量達到 2%時硬度達到最大值。 Ti 含量繼續(xù)增加,硬度反而減小。 當 這主要是由于加入 Ti 后可以生成 TiC 顆粒,從而增強基體材料。 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。 結論

13、：利用原位復合的方法、以 45 鋼和 Ti 粉為原料成功制備 了鐵基復合材料。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 Ti 加入量達到 2%時,硬度達到最大值。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,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表面磨損抵抗力以提高材料壽命。 金屬陶瓷復合材料 的不僅有高強度、高硬度、高磨蝕抗性等,而且有更好的韌性和低成本，他們還 有更好的物理化學屬性和

14、力學性能。因此人們越來越關心金屬基陶瓷合成材料， 這種材料被稱為“21世紀新型材料” 。 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%。 鑄造花費減少了10%30%。 它能夠帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 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 的鐵基復合材料。 復合材料的微觀結構可以用顯微鏡來觀察，可以測量復合層的 顯微硬度。復合材料的抗磨損性能也可以被測試。 表格一后： 因為顆粒和基體之間的粘結強度是非常高的。 凸的碳化硅顆粒不容易被剝離, 可以防止材料被磨損時，其他結構被磨掉。研究表明,結合著粘結相和硬質顆粒 復合材料的耐磨性和軟質相的成分是緊密相關的。 當磨粒在基體表面起作用的時 候，軟質相首先從基體上被磨掉。在磨損的過程中，只有孤立的硬質相保留著。 這些孤立的硬質顆粒的屏蔽作用,導致了陰影效應。因此,材料的耐磨性提升明 顯。所以 S