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Al₂O₃p/钢基复合材料的挤压铸造与性能研究

作　者: 贺小刚
导　师: 卢德宏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Al2O3p/钢基复合材料挤压铸造组织界面摩擦磨损
分类号: TB333
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

国内外陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料主要利用的是碳化物颗粒增强,相比而言,A1203颗粒在成本与性能上具有更好的优势,但是A1203颗粒与钢铁金属液之间的润湿性差,并且钢铁高温合金的熔点高、粘度大,冷却速度快等问题,给制备Al2O3p/钢铁基复合材料带来了很大的困难。基于上述分析,本论文提出低导热模具条件下的Al2O3p/钢复合材料挤压铸造技术,即在挤压模具的内表面涂覆一定厚度的热障陶瓷涂层,利用陶瓷材料导热系数低、热稳定性好的特点来保持钢液的高温,并在预制坯中加入活化元素Ti来改善钢液与A1203颗粒的润湿性和界面结合强度,从而实现挤压力、高温钢液、预制坯活化联合作用下的钢液对A1203预制坯的浸渗方法。通过研究表明：在12MPa挤压力的作用下,成功的制备了Al2O3p/40Cr复合材料和梯度Al2O3p/40Cr复合材料。所得复合层厚度可达6mm,组织致密、晶粒细小,增强体颗粒分布均匀,界面结合紧密,无任何的缩孔与缩松等其他铸造缺陷,梯度复合材料宏观界面过度连续、自然。Al2O3p/40Cr复合材料经热处理后,基材的宏观硬度反而比复合层的宏观硬度略高11.3%。说明A2O3p/钢复合材料界面结合弱、力学性能差是该复合材料存在的主要问题。对15%Ti元素活化预制坯Al2O3p/40Cr复合材料的组织分析表明：在复合层外部的基体组织和微观界面上有TiC的化合物产生,外部的基体组织主要为珠光体和铁素体；然而,在复合层内部基体组织和微观界面上有TixSiy的化合物产生,内部基体组织主要为铁素体。Ti元素活化预制坯Al2O3p/40Cr复合材料的物相主要有α-Fe、Al2O3、TiC、Fe3C和TixSiy。为减少其他合金元素的影响,更好地分析Ti元素的作用,我们选择了应用广泛、性能优良,合金元素含量少的45钢作为基材。制备了Al2O3p/45钢复合材料和5%Ti元素活化预制坯Al2O3p/45钢复合材料,从组织上来看,与40Cr作为基材时所得浸渗效果一样优良。并研究了这两种复合材料在不同转速和载荷条件下的摩擦磨损性能。结果表明：随着转速和载荷的逐渐增加,Al2O3p/45钢复合材料和5%Ti元素活化预制坯Al2O3p/45钢复合材料的磨损量逐渐增加,但摩擦系数却在逐渐的减小。从两种材料磨损量的对比来看,预制坯中加入5%的活化元素Ti后,磨损量和微观界面的孔洞相对减少,说明Ti元素的加入提高了界面的结合强度,使Al2O3p/45钢复合材料的耐磨性得到了提高。两种材料的磨损形式都是从磨料磨损逐渐转为氧化和粘着,最终导致疲劳撕裂,磨损试样表面上发现了大量的O、W、V、Cr元素。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-21
  1.1 论文研究背景  9-10
  1.2 挤压铸造概括  10-17
    1.2.1 挤压铸造工艺发展简介  10-11
    1.2.2 挤压铸造工艺分类  11-13
    1.2.3 挤压铸造工艺参数与特点  13-16
    1.2.4 挤压铸造工艺在金属基复合材料中的应用  16-17
  1.3 Al_2O_3p/钢基复合材料的研究现状及存在的问题  17-19
  1.4 本论文的研究意义及研究内容  19-21
    1.4.1 研究意义  19-20
    1.4.2 研究内容  20-21
第二章 Al_2O_3p/钢基复合材料的挤压铸造制备  21-29
  2.1 挤压铸造的方法  21-23
    2.1.1 热障陶瓷涂层的制备  21
    2.1.2 挤压铸造设备的选择  21-22
    2.1.3 挤压铸造工艺方法的确定  22-23
    2.1.4 挤压铸造制备工艺参数的选择  23
  2.2 预制坯的制备  23-25
    2.2.1 试验材料  23-25
    2.2.2 预制坯的制备方法  25
  2.3 Al_2O_3p/钢基复合材料的制备  25-26
  2.4 梯度Al_2O_3p/钢基复合材料的制备  26-27
  2.5 本章小结  27-29
第三章 Al_2O_3p/钢基复合材料的组织和硬度  29-37
  3.1 Al_2O_3p/40Cr基复合材料  29-33
    3.1.1 Al_2O_3p/40Cr基复合材料的铸态组织  29-31
    3.1.2 Al_2O_3p/40Cr基复合材料的热处理态组织  31-32
    3.1.3 铸态与热处理态宏观硬度的对比  32-33
  3.2 梯度Al_2O_3p/40Cr基复合材料  33-35
    3.2.1 梯度Al_2O_3p/40Cr基复合材料的组织  33-34
    3.2.2 梯度Al_2O_3p/40Cr基复合材料的宏观硬度  34-35
  3.3 本章小结  35-37
第四章 Ti元素活化预制坯对Al_2O_3p/40Cr基复合材料组织的影响  37-49
  4.1 Ti元素对复合材料基体组织的影响  37-44
  4.2 Ti元素对复合材料微观界面的影响  44-46
  4.3 本章小结  46-49
第五章 Al_2O_3p/45钢复合材料的摩擦磨损试验  49-65
  5.1 试验设备及方法  49-50
  5.2 Al_2O_3p/45钢复合材料摩擦磨损性能  50-53
    5.2.1 转速对摩擦磨损性能的影响  51-52
    5.2.2 载荷对摩擦磨损性能的影响  52-53
  5.3 Ti元素活化预制坯Al_2O_3p/45钢复合材料摩擦磨损性能  53-56
    5.3.1 转速对摩擦磨损性能的影响  54-55
    5.3.2 载荷对摩擦磨损性能的影响  55-56
  5.4 两种复合材料摩擦磨损性能对比  56-64
  5.5 本章小结  64-65
第六章结论与展望  65-67
  6.1 结论  65-66
  6.2 展望  66-67
参考文献  67-73
致谢  73-75
附录攻读硕士期间研究成果目录  75-77

Al2O3p/钢基复合材料的挤压铸造与性能研究

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