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悬浮铸造生产高硼相/铁基复合材料工艺研究

作　者: 刘程
导　师: 赵平
学　校: 西华大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 高硼相-铁基复合材料屏蔽材料悬浮铸造加工工艺
分类号: TB333
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高硼钢作为非常重要而有前景的屏蔽材料,在核电发展中有不可替代的作用,得到了足够的重视深入的研究。传统的高硼钢系列屏蔽材料中,硼的大量加入促使铸造Fe-B-C合金在普通凝固条件下容易获得大量共晶组织。Fe-B-C合金的金相组织是由基体和共晶组织组成。铸造Fe-B-C合金中的硼化物呈网状分布,将会增大铸造Fe-B-C合金的脆性,降低其韧性。高温正火处理也难以改善其形态和分布。目前对高硼钢的研究,无论是采用控制硼的加入量,还是合金化的手段,都只能在硼含量很低的水平上调节和提高硼钢的性能,硼含量低的问题制约了高性能屏蔽用硼钢的发展。另外,合金化,比如加入Ti等合金元素的方法还存在着价格高,应用范围小等问题。本实验就是利用悬浮铸造等新工艺生产高硼铁基复合材料,来克服传统高硼钢制备工艺的缺陷。悬浮铸造有利于细化晶粒和组织,同时悬浮剂加入量可控,对材料的性能设计十分有利。通过往钢液体或铁液中添加硼化物颗粒,使大量未熔化的硼化物颗粒弥散分布于铸型熔体中,改变结晶凝固方式和凝固组织,从而避免脆性高硼相大量析出,提高材料强度和韧度。实验结果表明:采用悬浮铸造工艺制备高硼相-铁基复合材料,是在提高硼含量和解决均匀性的前提下提高材料的力学性能的有效途径。在选取合适的基体材料和悬浮剂材料的前提下,通过悬浮剂涂覆工艺可以有效的减少高硼相悬浮剂熔解的问题（碳化硼镀镍可以有效的隔离,减缓B₄C和Fe反应,减少Fe₂B相析出）,使析出的Fe₂B脆性相呈孤立的岛状分布,从而避免Fe₂B相连接成网,提高材料的韧性。另外,悬浮剂的粒度,对材料的力学性能和B元素的分布均匀性也有一定的影响:Fe-B颗粒的粒度在0.1～0.4的范围内,随着粒度的增大,有利于提高复合材料的冲击韧性和B元素的分布均匀性。而B₄C颗粒的直径在0.075～0.212mm范围内,复合材料的冲击韧性和碳化硼颗粒直径却没有表现出相关性,但复合材料的抗拉强度随碳化硼颗粒的增大而增大。本实验中热处理虽然不能改变高硼相分布,但可以明显的改善基体性能,从而提高复合材料的力学性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 文献综述  9-20
  1.1 核工业发展现状和对屏蔽材料的需求  9-11
  1.2 硼元素在屏蔽材料中的应用现状  11-15
    1.2.1 硼的理化性能  11-12
    1.2.2 含硼屏蔽材料  12-15
      1.2.2.1 含硼混凝土  12-13
      1.2.2.2 铅硼聚乙烯  13
      1.2.2.3 包拉尔板  13
      1.2.2.4 高硼钢  13-15
    1.2.3 碳化硼在核辐射屏蔽材料中的应用  15
  1.3 悬浮铸造技术  15-17
    1.3.1 悬浮剂的作用机理  16-17
    1.3.2 悬浮剂的成分和数量 #8(124,B11,363,B_48)  17
    1.3.3 悬浮铸造生产复合材料的发展前景  17
  1.4 金属基体复合材料  17-18
    1.4.1 颗粒增强金属基复合材料的发展  17-18
    1.4.2 现有的金属基颗粒增强复合材料的制备工艺  18
  1.5 本文的研究意义和主要内容  18-20
    1.5.1 研究目标  18
    1.5.2 实验方案  18-20
    1.5.3 技术路线 #10(124,BB_4,269,BEA)  20
2 制备Fe-B/Q235 钢复合材料  20-35
  2.1 预研准备工作  20-21
  2.2 试验方案确定  21-22
  2.3 试样加工  22-24
    2.3.1 原材料的准备  22
    2.3.2 熔炼浇注  22-24
  2.4 试验结果分析  24-34
    2.4.1 材料学性能分析  24-28
    2.4.2 热处理对材料力学性能的影响  28-30
    2.4.3 B 元素的分布  30-33
    2.4.4 铸造工艺的可行性分析  33-34
  2.5 本章小结  34-35
3 制备B_4C/Q500-7 复合材料  35-56
  3.1 实验方案的确定  35-37
  3.2 制备工作  37-42
    3.2.1 碳化硼镀镍  37-41
      3.2.1.1 镀前处理  38
      3.2.1.2 镀镍试剂与主要设备  38
      3.2.1.3 镀镍过程及方法  38-39
      3.2.1.4 镀镍工艺改进  39
      3.2.1.5 镀镍效果检测  39-41
    3.2.2 铁型覆砂工艺  41-42
  3.3 试样浇注  42-43
  3.4 金相分析  43-46
    3.4.1 碳化物着色原理  43-44
    3.4.2 热碱彩色金相法的操作工艺  44-46
  3.5 力学性能分析  46-55
    3.5.1 力学数据的均匀性分析  46-48
    3.5.2 取样位置的影响  48-49
    3.5.3 悬浮剂粒度的影响  49-50
    3.5.4 硼含量的影响  50-51
    3.5.5 热处理对材料的影响  51-53
    3.5.6 合金元素的影响  53-55
      3.5.6.1 镀镍层的隔离作用  53-54
      3.5.6.2 Ni 对球墨铸铁组织的影响  54-55
  3.6 本章小结  55-56
4 结论  56-57
5 工作展望  57-58
参考文献  58-61
作者再读期间科研成果简介  61-62
致谢  62-63

悬浮铸造生产高硼相/铁基复合材料工艺研究

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