原位生成(Fe,Cr)7C3/Fe表面梯度复合材料组织及性能研究

摘要

研究表明，零件失效的主要原因是其材料表面发生疲劳断裂、过度磨损或腐蚀。因此，制备一种具有高硬度和高耐磨性的表面复合材料用以提高机械零件的使用寿命具有重要的意义。目前，颗粒增强金属基复合材料（MMCs）是其中的研究热点内容之一。本文选用纯铬板和灰铸铁作为原材料，通过铸渗-热处理法将纯铬板与灰铸铁进行原位复合制备(Fe,Cr)7C3/Fe表面梯度复合材料。应用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和显微硬度计对表面梯度复合材料的物相、显微组织和显微硬度进行分析，同时，对(Fe,Cr)7C3/Fe表面梯度复合材料的组织演变、生长动力学、磨粒磨损性能及其机理进行了研究。得到的主要实验结果如下： （1）在实验温度范围内，随着温度的升高，生成几种碳化铬反应的吉布斯自由能均呈逐渐减小的趋势，且从总体上看ΔG保持了负值。这说明，该实验条件下Cr3C2、Cr23C6和Cr7C3均能稳定存在。根据ΔG值的大小可知，几种碳化物的稳定性由强到弱依次为：Cr23C6>Cr7C3>Cr3C2。且根据Fe-Cr-C三元合金液相面投影图可推断本实验中不会有M3C2型碳化物生成。 （2）铸渗-热处理法原位生成(Fe,Cr)7C3/Fe表面梯度复合材料，由Cr板表面至基体呈梯度分布，可分为四个反应层：致密陶瓷层（zone I）；颗粒区（zone II）；板条区（zone III）；无石墨区（zone IV）。 （3）对Fe-Cr-C三元体系原位反应进行动力学分析，得出不同反应层的生长速率常数和扩散激活能，并得到了反应层厚度与保温温度和保温时间的关系。结合(Fe,Cr)7C3/Fe表面梯度复合材料显微组织随保温时间的变化，分析梯度反应层的形成机理。 （4）(Fe,Cr)7C3/Fe表面梯度复合材料的显微硬度相对于基体有了明显的提高，致密陶瓷层的显微硬度值高达1478HV0.1，约是基体显微硬度值（214HV0.1）的7倍。原位反应生成(Fe,Cr)7C3/Fe表面梯度复合材料zone I、zone II、zone III和zone IV相对基体的耐磨性分别为7.0、5.3、5.1和1.4；根据各反应层磨粒磨损的微观组织形貌，结合磨损物理模型分析了各反应层的磨损机理。