纳米陶瓷颗粒增强高铬铸铁铸渗层的组织和耐磨性研究

摘要

铸渗工艺能够在材料表面形成一层具有较高耐磨性的合金层，从而满足导卫板、衬板等工件局部具有足够耐磨性的工况要求，是一种非常经济实用的方法。将纳米陶瓷颗粒以特定方式加入到铸渗层中，能够进一步提高表面合金层的耐磨性，是改良铸件铸渗层耐磨性的一个重要尝试。同时纳米陶瓷颗粒增强钢铁基材料的研究在国内尚属起步阶段，在铸渗工艺中的应用在国内外还未见报道，因此本课题的研究能够为纳米陶瓷颗粒在钢铁基材料的应用提供实验依据和理论基础。
　　本研究主要内容包括：⑴采用高碳铬铁粉为铸渗剂合金粉末，分别以纳米陶瓷颗粒和纳米变质合金（将纳米颗粒熔炼于合金中）为增强体材料，ZG270-500为母材，通过传统的砂型铸渗工艺在中碳铸钢 ZG270-500表面分别得到：纳米粉末增强高铬铸铁铸渗层和纳米变质合金增强高铬铸铁铸渗层。运用 SEM、TEM、XRD、EDS等微观分析方法，结合硬度和耐磨性能测试结果，得出以下结论：通过普通砂型铸渗工艺能够制备出厚度为5mm左右的纳米颗粒增强高铬铸铁铸渗层和约80μm的过渡层。过渡层的性能介于铸渗层和母材之间。铸渗层主要由奥氏体、M7C3碳化物以及少量的马氏体和珠光体组成，碳化物呈粒状、杆状或层片状。铸渗层组织致密，没有气孔和粉末熔化不完全等问题，界面结合良好。⑵纳米陶瓷颗粒能够细化铸渗层的组织，优化碳化物的形态和分布，提高铸渗层的硬度和耐磨性。纳米陶瓷颗粒弥散分布于奥氏体基体或者聚集于碳化物与基体界面处，对基体起到细晶强化和弥散强化作用。随着纳米陶瓷颗粒加入量的增加，铸渗层中紧凑的网状分布的碳化物趋向于均匀弥散分布，当含量达到1.5％后变化不明显；铸渗层的耐磨性先提高后降低。当铸渗剂中含1.5%的纳米TiC颗粒时，铸渗层的组织和性能优化效果最为明显，碳化物弥散分散，硬度和耐磨性均比高铬铸铁铸渗层提高了19%左右。与纳米陶瓷颗粒相比，以纳米变质合金形式加入铸渗剂中，能够进一步优化铸渗层的组织。⑶磨料磨损性能测试在 ML-100型磨料磨损实验机上进行，结果表明纳米增强体材料为 TiC时，材料耐磨性能较好且含量为1.5%时最好；以纳米变质合金形式加入，铸渗层的耐磨性能得到进一步提高。在不同实验条件下进行的高温高速磨损实验表明：纳米变质合金增强体材料能够大幅度的提高铸渗层的抗高温高速磨损性能，在200℃-0.20MPa-10m/s条件下提升幅度最大。当加入1%纳米TiN变质合金（加Ni）或纳米 TiN变质合金（加稀土）时，铸渗层具有较好的抗高温高速磨损性能。

目录

第1章 绪论

1.1前言

1.2铸渗工艺及机理

1.3应用于钢铁基材料中颗粒增强体的研究

1.4课题研究的背景、依据和意义

1.5课题的研究思路

第2章 实验内容和研究方法

2.1铸渗工艺参数的选择

2.2纳米陶瓷增强体的选择

2.3纳米陶瓷颗粒增强高铬铸渗层试样的制备

2.4组织分析和性能测试

第3章 纳米陶瓷颗粒加入种类对铸渗层组织的影响

3.1引言

3.2纳米颗粒增强铸渗层的成分设计

3.3铸渗层的微观组织

3.4分析与讨论

3.5本章小结

第4章 对纳米陶瓷颗粒加入方式的优化

4.1引言

4.2纳米变质合金增强铸渗层成分设计

4.3纳米变质合金增强铸渗层的微观组织

4.4分析与讨论

4.5本章小结

第5章 铸渗层的性能和磨损机理分析

5.1直接加入纳米陶瓷颗粒铸渗层的性能及磨损形貌

5.2加入纳米变质合金铸渗层的性能和磨损形貌

5.3分析与讨论

5.4本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果