ZTA/高铬铸铁复合材料的制备与耐磨性能研究

摘要

ZTA陶瓷/高铬铸铁复合材料结合陶瓷和金属两种材料特性，可降低产品成本，提高产品性能，具有学术研究价值，并可满足工业生产、使用的需求。 本文采用ZTA颗粒、高铬铸铁、Cu粉、Ti粉、Cu75Ti25合金粉和1Cr18Ni9Ti合金粉为原料，箱式电阻炉、行星式球磨机、金相显微镜、扫描电镜和三体磨料磨损试验机等设备，制备和分析ZTA陶瓷/高铬铸铁复合材料的界面结合状况和复合材料整体耐磨特性。 研究结果表明，采用成形剂无烧结方式，成功制备出高孔隙率ZTA陶瓷预制体，孔隙率可达38%，并可承受浇铸过程中的热冲击。借鉴焊接理念，采用消失模铸造工艺，成功制备出性能优异的ZTA/高铬铸铁复合材料。 观察复合界面的微观组织形貌并分析其成分，可观察到陶瓷颗粒被高铬铸铁完全包裹，二者界面间有金属粘结剂相连，从而提高了二者结合效果。同时发现不同金属粉作为粘结剂效果有所不同，不同元素对金属和陶瓷的亲和力、润湿性能不同。发现Cu和Ti对于陶瓷的润湿性较好，易迁移聚集在界面处，Cr和Ni在浇铸过程中，会溶解进入高铬铸铁基体。发现在烧结过程中，Ni会进一步促进Ti的迁移，使其聚集至界面处，实现Ti对ZTA陶瓷金属界面润湿改善，与此同时Ni会向高铬铸铁基体中迁移。 选择与实际工况环境相近的高应力三体磨料磨损条件，选用ZTA（20%ZrO2）陶瓷颗粒，对比不同含量的金属粘结剂对于陶瓷与高铬铸铁的润湿性的影响，金属粘结剂含量少时无法充分包裹陶瓷界面，陶瓷与高铬铸铁直接接触，容易产生缺陷。随1Cr18Ni9Ti粉增加，复合材料耐磨性提高，1Cr18Ni9Ti含量为12%时，复合材料的耐磨性表现最佳。但金属粉的含量进一步提高，则会导致在预制体制备时成形剂使用量的提高，在浇铸过程中成形剂会残留在界面处，形成硬脆相，过多残留则反而导致性能下降。Cu75Ti25含量为12%时，复合材料的耐磨性表现最佳。 发现复合材料界面间形成过渡层，金属粘结剂和高铬铸铁可完整包裹ZTA颗粒周围，二者呈现冶金结合，界面结合强度高，提高了整体复合材料耐磨性和使用寿命。对比不同成分的金属粘结剂并设计不同含量的对比试样，根据复合材料和高铬铸铁标准试样的磨损量，判断成分、含量与材料耐磨损性关系。复合材料的磨损失效其中高铬铸铁基主要为切削犁沟，陶瓷主要为疲劳剥落。增强机制为增强体对基体的保护，即“阴影效应”，以及基体对增强体所受冲击的缓冲作用，即“支撑效应”。

目录

声明

1 绪论

1.1高铬铸铁概述

1.2高铬铸铁的研究及发展现状

1.3颗粒增强铁基复合材料常用制备方法

1.4金属基复合材料增强机理和磨损机理

1.5研究目的、意义及主要研究内容

2 试验制备条件与方法

2.1陶瓷材料增强颗粒的选择

2.2金属材料的选择

2.3造孔剂的选择

2.4 试样制备用设备

2.5 消失模工艺选择

2.6 ZTA/高铬铸铁复合材料分析检测方法

2.7 高应力三体磨料磨损试验

3 ZTA陶瓷颗粒增强铁基复合材料的制备

3.1 ZTA陶瓷预制体的制备

3.2复合材料试样浇铸

3.3 金属粉对陶瓷润湿性的改善

3.4检测试样的制备

3.5技术路线

3.6本章小结

4 复合材料的成分、显微组织和性能

4.1显微组织

4.2复合材料的硬度

4.3本章小结

5 复合材料的磨损特性

5.1复合材料三体磨料磨损耐磨性能

5.2磨损形貌与机理

5.3磨损形貌与耐磨损性能的关系

5.4本章小结

结论

本论文的特色和新颖之处及研究工作展望

本论文的特色和新颖之处

进一步研究工作展望

参考文献

致谢