原位自生TiCp/Fe、VCp/Fe复合材料制备过程覆盖剂及低温加Ti法低温加V法的研究

论文摘要

通过原位反应铸造法制备铁基复合材料因其工艺简单、成本低廉，而材料性能优异已经成为研究的热点之一。因TiC、VC颗粒因具有高硬度、高模量、高熔点、较高抗弯强度和耐磨性能良好等特点，普遍被用做制备铁基复合材料的增强相。但由于Ti、V元素的活性高，氧化性强，致使制备过程中Ti、V元素严重烧损，达不到所设计的化学计量，增加了生产成本。同时由于Ti、V元素的严重烧损，导致C元素过量，使基体中生成有害相（石墨）。本文以降低原位反应铸造法制备铁基复合材料过程中Ti、V元素烧损率为研究目标，通过设计几种覆盖剂，比较它们的防氧化烧损性能，同时对低温加Ti法、低温加V法制备工艺也进行了研究，主要研究成果如下：1．优选出“草木灰+木炭”这种防氧化烧损性能最佳的覆盖剂，该覆盖剂操作简便，Ti的氧化烧损率仅17.1％，达到国内较好水平。2．探讨了覆盖剂防氧化烧损的作用机理。作为覆盖剂，除了应具有能隔绝空气中氧进入合金液面的功能外，还应具有还原的性能。含有碳或石墨等还原性物质的覆盖剂，除了起到隔绝空气中氧进入合金液面的的作用外，还能还原合金液中生成并上浮至液面的TixOy，因此防止Ti元素氧化烧损的效果都较好。3．探讨了低温加Ti法的工艺，研究结果表明，低温加Ti法防止Ti元素氧化烧损的效果达到了目前国内最好的水平（该工艺已申请专利），Ti元素烧损率仅为12.3％。4．从反应热力学、动力学以及扩散机制三个方面研究了低温加Ti法的机理。低温下TiC颗粒的生成主要是依赖扩散反应，由于C原子半径相对较小，主要是通过间隙和空位进行扩散，而Ti原子半径相对较大，主要是通过空位进行扩散。5．探讨了低温加V法的工艺，研究结果表明V元素的烧损率仅为9.1％。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属基复合材料的研究现状和发展前景
• 1.2.1 金属基复合材料的研究现状
• 1.2.2 金属基复合材料的发展前景
• 1.3 铁基复合材料的研究现状及发展前景
• 1.4 常用原位制备工艺
• 1.4.1 表面原位复合
• 1.4.2 整体原位复合
• 1.5 原位制备TiCp/Fe、VCp/Fe复合材料工艺
• 1.6 课题的提出和研究内容
• 1.6.1 课题的提出
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 覆盖剂防Ti元素氧化烧损性能及其作用机理的探讨
• 2.1 前言
• 2.2 覆盖剂主要性能指标
• 2.3 合金液常用的脱氧方法
• 2.4 覆盖剂的设计及制备
• 2.4.1 覆盖熔剂各成分的特性
• 2.4.2 复合覆盖剂的设计
• 2.4.3 复合覆盖剂的制备
• 2.5 实验方法
• 2.6 实验结果及分析
• 2.6.1 实验结果
• 2.6.2 实验结果分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的低温加Ti法工艺研究
• 3.1 概述
• 3.2 反应铸造法制备TiCp/Fe复合材料的低温加Ti法工艺研究
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验仪器设备及试样
• 3.2.3 低温加Ti法工艺试验
• 3.2.4 化验样品的选取
• 3.2.5 实验结果与分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 低温加钛法机理初探
• 4.1 扩散相关理论
• 4.1.1 低温加Ti的扩散机制
• 4.1.2 反应扩散速率
• 4.1.3 扩散热力学及驱动力
• 4.1.4 低温加Ti时扩散的微观机制
• 4.2 低温加Ti在低温阶段的反应热力学和动力学研究
• 4.2.1 低温加Ti在低温阶段的反应热力学研究
• 4.2.2 低温加Ti形成TiC颗粒动力学分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 低温加V法原位合成Vcp/Fe复合材料的研究
• 5.1 概述
• 5.2 制备VCp/Fe复合材料低温加V的扩散机理
• 5.3 低温加V在低温阶段的反应热力学研究
• 5.4 原位合成VC/Fe复合材料的制备工艺
• 5.4.1 原位合成VC/Fe复合材料所使用的试验材料
• 5.4.2 原位合成VC/Fe复合材料使用的设备
• 5.4.3 原位合成VC/Fe复合材料制备工艺
• 5.5 实验结果与分析
• 5.5.1 VCp/Fe复合材料的X射线衍射物相分析
• 5.5.2 VCp/Fe复合材料增强相的分析
• 5.5.3 化学成分的测试
• 5.5.4 VCp/Fe复合材料增强体的体积分数测定
• 5.5.5 VCp/Fe复合材料增强体尺寸测量
• 5.5.6 硬度测定
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间论文发表情况