ZTA颗粒增强高锰钢复合材料制备及其性能研究

摘要

ZTA（ZrO2增韧Al2O3陶瓷）颗粒增强高锰钢复合材料是一种兼备金属和陶瓷特性的材料，因具有高的强度和韧性、优异的耐磨性，可满足现代化工业对高速、高冲击、高磨损工况下设备的服役要求。本文通过对Al2O3基片表面涂覆B13C2/Ni混合粉，改善Al2O3/高锰钢润湿性；研究涂覆层制备工艺及涂覆层配比对Al2O3/高锰钢高温润湿的影响。基于以上探究，采用添加造孔剂法制备多孔预制体，研究了不同造孔剂、粘结剂对预制体孔隙率、孔结构的影响。采用无压铸渗方法制备了ZTA颗粒增强高锰钢复合材料，分析了铸渗过程。对比高锰钢与复合材料的耐磨性能，分析摩擦磨损机理。 （1）表面改性Al2O3基片的最优工艺：涂覆层经600℃加热，保温30min，无氧化，与Al2O3基片结合较好。在1410℃时，质量比为1∶3的B13C2/Ni混合粉改性Al2O3基片与高锰钢的润湿角约为52°。Al2O3基片与高锰钢间接润湿。 （2）润湿的Al2O3与高锰钢的界面结合较好。界面存在微裂纹，界面属于机械结合与扩散界面类型共存。涂覆层中Ni与高锰钢液接触，减小高锰钢液的界面张力；B和C发生反应扩散。 （3）以2.5g絮状PVA造孔剂B13C2/Ni混合粉为粘结剂，600℃加热处理90min制备的多孔预制体，孔隙率可达51.9%。通过铸渗法可成功制备ZTA颗粒增强高锰钢复合材料。铸渗过程中，ZTA颗粒发生小距离的游移。复合材料界面犬牙交错，互相扣锁。涂覆层不均匀，导致产生不可避免的界面缺陷。 （4）分别对复合材料和高锰钢分别与轴承钢珠进行摩擦磨损实验。从试样磨损质量、磨损区域深度和钢珠磨损体积三个方面分析表明：ZTA颗粒的加入显著提高高锰钢的耐磨性。复合材料磨损机理是以粘着磨损为主，磨粒磨损为辅的混合磨损机制。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料研究现状

1.2.1 陶瓷金属润湿性研究

1.2.2 多孔陶瓷预制体的备研究

1.2.3 陶瓷颗粒增强金属基复合材料制备方法

1.3 耐磨材料的磨损机理

1.4 金属基体选择

1.5 陶瓷颗粒增强体选择

1.6 课题的研究内容及其意义

1.6.1 研究意义

1.6.2 研究内容

2 实验设计及检测

2.1 实验所需试剂及仪器

2.2 实验方案设计

2.2.1 改善Al2O3与高锰钢润湿性方案

2.2.2 消失模铸造法铸渗制备复合材料

2.2.3 ZTA颗粒增强高锰钢复合材料热处理

2.3 样品表征分析

2.3.1 多孔预制体孔隙率计算

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3 金相组织分析

2.3.4 扫描电子显微镜分析

2.3.5 能谱仪分析

2.3.6 电子背散射衍射分析

2.3.7 ZTA颗粒增强高锰钢复合材料耐磨性能测试

3 改善Al2O3/高锰钢润湿性研究

3.1 Al2O3基片表面涂覆碳化硼/Ni混合粉改善与高锰钢润湿性

3.1.1 不同温度加热处理碳化硼/Ni混合粉涂覆Al2O3基片

3.1.2 涂覆不同质量比混合粉Al2O3基片与高锰钢的动态润湿分析

3.1.3 高温润湿样品界面分析

3.2 Al2O3/高锰钢高温润湿润湿机理分析

3.3 本章小结

4 ZTA颗粒增强高锰钢复合材料制备及其性能研究

4.1 多孔陶瓷预制体制备研究

4.1.1 ZTA颗粒堆积孔隙率计算

4.1.2 絮状PVA作为造孔剂对预制体孔隙率的影响

4.1.3 速溶PVA作为粘结剂、絮状PVA作为造孔剂对预制体孔隙率的影响

4.1.4 泡沫作为造孔剂速溶PVA作为粘结剂对预制体孔隙率的影响

4.2 ZTA颗粒增强高锰钢复合材料铸渗分析

4.3 ZTA颗粒增强高锰钢复合材料孔隙率计算

4.4 ZTA颗粒增强高锰钢复合材料界面分析

4.5 ZTA颗粒增强高锰钢复合材料耐磨性研究

4.5.1 复合材料摩擦磨损性能分析

4.5.2 复合材料摩擦磨损机理分析

4.6 本章小结

5 结论

致谢

参考文献