毕业设计（论文）-原位合成TiCFe表面梯度复合材料的研究.doc

原位合成TiC/Fe表面梯度复合材料的研究摘 要在机械、冶金、矿山开采、油气钻探等重工业领域，存在严重的设备磨损问题，这就要求机械零部件能够承受剧烈冲击、抗腐蚀、抗磨损。因此，能够采取一定的方法，在易磨损部件的表面生成一种或几种具有高硬度、高耐磨性的增强颗粒，已成为这些领域增强零部件、延长零件使用寿命的重要途径。陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料能够将陶瓷材料和钢铁材料的优点融为一体，是耐磨材料、摩擦材料、高温合金及工具材料的理想应用对象。原位反应技术利用热力学平衡原理在基体表面直接生成颗粒或片状增强体，从而比较好地解决了人工复合法中增强体与基体润湿困难、界面反应严重的问题；而且生成的增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高等优点，已成为是当前金属基复合材料研究领域的一个热点。通过热力学计算和Fe-Ti-C相图分析，研究了原位生成TiC颗粒的生成条件及其长大机制；利用差热分析(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、点能谱（EDS）等测试手段对Fe-Ti-C体系的反应动力学过程、显微组织结构、显微硬度及磨损性能进行了系统深入的研究。研究结果表明：采取铸渗-热处理工艺，在基体表面原位生成工艺制备TiC/Fe基表面梯度复合材料是可行的；生成的TiC硬质相，均匀分布于基体表面，并且其硬质相颗粒形貌逐渐趋近于四方状或球状，平均粒度在为2-5m，并且与铁基体结合良好。热力学计算结果表明：通过在1138温度下的热处理工艺在基体表面原位生成TiC，该反应为：Ti+C=TiC，该反应能够自发进行。动力学分析结果表明，Ti-C反应受动力学过程控制，C的扩散速度影响该反应的快慢程度。TiC颗粒的长大机制表明：当Ti、C原子浓度高时可生成稳定的TiC晶核；当Ti、C原子浓度降低时生成的TiC不能以稳定晶核的形式存在，只能在已生成的晶核上按照TiC晶体的优先生长方向堆积、长大。TiC颗粒按照小颗粒不断溶解，大颗粒相应粗化的模式长大，同时碳的浓度在一定程度上也影响了碳化钛颗粒的生长。利用显微硬度计对TiC/Fe基复合材料的显微硬度进行了测量，实验结果表明：复合层硬度最高达3231HV0.05，平均硬度是基体的10倍左右。利用国产ML-100干式销盘磨料磨损试验机对TiC/Fe基表面梯度复合材料的耐磨性进行测试，实验结果表明，相对于灰铸铁标准时样，碳化钛表面梯度复合材料最外层陶瓷层耐磨性提高了27.91倍，其余两层（颗粒层）分别提高约20倍（大颗粒区域）、15倍（小颗粒区域）。关键词: 原位反应、TiC颗粒、铁基复合材料、显微微观、耐磨性AbstractThere are serious equipment wearing problems during the field of mine exploration, heavy metallurgy and gasoline drilling, which requires mechanical parts can endurance impact、corrosion resistance and wear resistance. The method of development high hardness and wear resistant particles on the internal components of equipments is a important way to repair and prolong the equipments life. Particle reinforced iron matrix composites possessing the advantages of steel (or iron) matrix and ceramic particle reinforcements are the ideal choice for applications of wear resistant materials, refractory alloys and tool materials. The main advantage of in situ technology is that the surface of reinforcements generated in situ tend to remain clean, i.e. free from gas absorption, oxidation or other detrimental surface reaction and the matrix-reinforcements interface bond therefore tends to be stronger. The method of in situ accounting to the principle of thermodynamic equilibrium forms reinforcements in the matrix directly, and usually reinforcement is particle or piece. It resolves the problems that wettability is difficult and interface reaction is bad between reinforcements and matrix successfully, which often occurs the method of manual composite. So,the preparation of particle reinforced metal matrix composites used by the method of in situ has become one of interesting topics in the field of metal matrix composite materials. According to thermodynamic result and phase diagram, properties and formation condition of TiC particles were studied. The kinetics of Fe-Ti-C system, microstructure、mechanical properties、wear properties and tridimensional appearance of TiC particulates reinforced iron matrix composites were lucubrated systematically by means of various analytical techniques such as SEM,XRD, DSC.The result shows that: Taken to In-situ synthesized TiC particulate reinforced iron matrix composites with the method of casting and heat treatmentis is feasible. The TiC particles would be distribute . The TiC particles gradually become spherical morphology and with an average particle size for the 2-5m. The TiC particles combined well with matrix. According to thermodynamics calculations result that the synthesis reaction of TiC can be carried forward spontaneously. Kinetics analyse results show that Ti-C reaction by the kinetic process control, the C atom diffusion controlling step for the reaction.TiC particles grow up a mechanism that: When the Ti, C atoms can form a stable high concentration of TiC nucleus; When Ti, C atoms decreases the concentration of the generated TiC can not form a stable nucleus can only have been generated TiC crystal nucleation in accordance with the priority on the growth direction of accumulation grew up. TiC particles continue to dissolve in accordance with small particles, large particles grew up in the corresponding mode of coarsening.The micro-hardness 、wear-resistance of TiC/Fe matrix composites have been analysed with HXD-1000、ML-100,the results indicate that the maximal microhardness is 3231HV0.05,and the average micro-hardness of composite region is 10 times more than matrix. The wear-resistance of the composites is 18 times higher than the cast iron standard sample.Key words: In-situ，TiC particulates，Metal matrix composites，Microstructure，Abrasive resistance.目 录摘要Abstract第一章 前言1.1 表面复合材料的研究进展1.2 本课题研究的目的、意义1.3 本试验研究的内容1.3.1 本研究课题的提出1.3.2 本课题主要研究的内容1.3.3 本课题主要创新点第二章 试验方法2.1 试验材料 2.1.1 钛板2.1.2 基体2.2 研究方法及技术路线2.3 实验方法2.3.1 TiC/Fe表面梯度复合材料的制备2.3.2 微观组织分析2.3.3 显微硬度测试2.3.4 磨损性能测试第三章 TiC/Fe表面梯度复合材料微观组织及力学性能3.1 引言3.2 Fe-Ti-C体系的DSC测试结果3.3 复合材料的X射线衍射物结果及分析3.4 复合材料在SEM下的组织分析3.4.1 宏观形貌分析3.4.2 微观形貌分析3.5 复合材料显微硬度测试第四章 TiC/Fe表面梯度复合材料磨损性能及磨损机理4.1 引言4.2 试验方法及条件4.2.1 试验装置4.2.2 试验方法4.3 不同体积分数TiC对复合材料磨损性能的影响4.4 不同粒度磨料对表面复合材料磨损性能的影响4.5 磨损表面形貌及机制第五章 结论参考文献第一章 前言1.1 表面复合材料的研究进展随着科学技术的大力发展，尤其是航空航天、汽车、钢铁、冶金、矿山、电力、煤炭工业等不断进步，对材料性能的要求也越来越高，单一的高强度、高模量、耐高温及低密度材料已远远不能满足高速发展的现实使用要求。为此，国内外大量科研者采用各种不同技术将不同性能的材料复合起来，取长补短，得到了单一材料所无法比拟的、综合性能优越的新型复合材料。当前国内外主要应用的是表面复合处理技术，该技术是指将两种或多种表面技术以适当的顺序和方法复合在一起，或以某种表面技术为基础制造复合涂层的技术。表面复合处理技术有两层含义：一层是“膜层或涂层”的优化设计，特别是“多层膜层、膜系”的优化设计，使膜层材料或涂层材料“物尽其用”；另一层含义是通过各种表面处理技术的优化组合，使各类表面技术“各展所长”。单一的表面技术，往往有一定的局限，满足不了对材料使用的高性能要求1-2。因此，表面处理技术给我们打开了一个研究发展方向，表面复合处理技术主要有：（1） 多种金属元素的表面复合渗层或包覆层，即在金属材料表面扩散渗入两种以上的金属元素，称为共渗，以提高材料的综合性能，例如钢上渗铝，提高耐蚀性、耐热性；渗铬，提高硬度、耐磨性；钢上共渗铝铬，则使钢表而的耐蚀性、耐热性和耐磨性都有所提高。（2） 金属与微粒弥散陶瓷复合镀层，即将不溶的材料（例如：陶瓷）以微粒形式加进电镀槽，以常规方式进行电化学沉积，即可获得微粒弥散复合镀层。这类复合材料可以沉积在各种基体上，沉积层的厚度与微粒尺寸、微粒性质及所沉积金属的性质有关。（3） 形成各种功能的涂层体系，即有机涂层通常包括底层（提高结合力和抗蚀性，可通过磷化处理）、中间层（增加屏蔽作用和功能作用）和面层（满足功能要求，根据要求选择）。（4） 电镀与有机涂层的复合。（5） 热喷涂与封闭和有机涂层的复合。（6） 热喷涂与激光重熔的复合，即采用激光重熔工艺可使等离子喷涂涂层表而光滑，孔隙度显著降低。（7） 表面强化与固体润滑的复合。（8） 多道工艺形成多层复合膜层。（9） 多种薄膜技术和改性技术的复合，其包括：离子束辅助沉积是把离子束注入与气相沉积镀膜技术相结合的复合表面离子处理技术、等离子体渗与气相沉积复合（PDPCVD）、激光与气相沉积技术复合（LCVD）、喷丸与离子氮化复合处理。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体原材料，通过复合工艺形成的材料。它克服了单一材料的某些弱点，产生协同效应，使之综合性能优于原单一材料，从而满足各种不同产品的性能要求。与普通单一材料相比，其表面韧性、疲劳强度和耐磨性能显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。目前，金属基表面复合材料是我国应用较为广泛、发展迅速的复合材料。它采用金属或合金为基体，以粉末、颗粒、陶瓷等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势4-5。从20世纪70年代以来，国内外对颗粒增强金属基复合材料（MMCS）的研究主要侧重于传统的外加颗粒的方法，它存在以下不足：外加颗粒和基体的相容性（即润湿性）不好，且不可避免有表面污染和附着物，导致与基体的界面结合不牢；外加颗粒的尖角对基体有割裂作用，可能导致裂纹，使材料断裂失效。因而，其增强效果不能得到理想的发挥。八十年代中后期，科学工作者发明了一种新工艺：原位自生复合法，又称原位内生复合法。其显著特点主要有：增强体是从金属基体内部原位形核长大的热力学稳定相，与基体结合良好；通过优化设计和工艺参数，可以得到不同尺寸、数量的增强体，还可调整它们的分布；节省了单独合成、加工、加入和分散增强体的工序，简化了工艺，减少了设备，降低成本；利用液态原位反应合成工艺，可铸造制备形状复杂的零件；原位合成的颗粒增强相无明显的尖角且颗粒尺寸较小等。它克服了外加颗粒的种种弊端，在当前材料制备中得到了飞速的发展，部分产品已经达到实用化。常见的制备工艺还有：高能束表面原位熔覆法，该工艺是在铁基材料表面预置反应物料，然后借助激光、聚焦光束、等离子体等高能束的高能量作用引发反应原位合成增强相并熔覆在基体表面。涂覆铸造法，又称铸渗法，就是利用金属液的热量使铸型表面一定厚度的特殊涂层材料熔化、扩散进入金属液中生成弥散的增强相，得到表面增强复合材料；它是制备铸造表面复合材料最简单易行的办法，是提高铸件表面耐磨、耐蚀、耐高温等性能的有效途径。原位反应喷涂法，是在原位反应和热喷涂工艺的基础上发展起来的，与传统热喷涂的主要不同在于引进并强调了喷涂粉之间的反应，借助反应的高放热促进喷涂粒子和产物粒子的熔化，从而可获得常规方法难以制备的高熔点的陶瓷或金属间化合物涂层，同时由于更多地利用反应体系中的高化学能，因而可实现低成本、高效能地制备高性能陶瓷基涂层。SHS铸造技术，就是把SHS（自蔓延高温合成）技术和传统的铸造技术相结合，将原始粉末混匀后压制成坯，放在铸型的一定部位，浇入熔融的金属液，利用它的热量使预制块发生SHS反应，生成大量的陶瓷颗粒，同时完成烧结的致密化，这样就在基体（金属液凝固而成）表面上形成复合层。离心自蔓延法，就是将自蔓延和离心铸造结合起来制备材料的一种方法。1.2 课题研究的目的、意义传统的金属材料相比，金属基复合材料往往具有更高的比强度(强度和密度之比)、比模量(模量和密度之比)，更好的耐热性以及更低的热膨胀系数。迄今为止，由于金属基复合材料的制备工艺不完善、成本高等因素，导致难以大规模生产。基于此，本研究结合国内外相关的研究状况，总结分析了金属基复合材料的分类、性能特点、制备技术等方面的研究成果，重点评述金属复合材料的制备技术和目前存在的问题，并探讨了金属基复合材料未来的研究重点。越来越多的研究表明，耐磨材料需要同时具有高硬度和高韧性，整体复合虽提高了强度，却大大降低了韧性，而磨损只发生在零件的特定表面。此外，整体复合不利于材料的回收与再利用，造成浪费和污染。发展了在具有良好韧性的基材(如钢)的表面生成高硬度的耐磨层(如陶瓷或金属陶瓷，如Al2O3、TiC、WC等)的表面复合材料，这种表面复合材料兼有良好的表面耐磨性和热稳定性，可满足实际工况对零件提出表面或局部耐磨的要求。1.3 本试验研究的内容1.3.1 本研究课题的提出本项目以矿山、电力、煤炭、冶金、石油等工况材料应用的存在高负荷、大能量冲击、严酷磨料磨损问题为研究背景，对铸渗复合原位合成合成TiC陶瓷增强金属基复合材料的制备工艺、TiC增强体原位合成机理、复合材料高负荷大能量冲击失效机制及磨料磨损机制进行研究。利用微米级厚度为300m的Ti板，采取铸渗工艺与铸铁进行复合，再通过冶金原位反应合成工艺制备TiC陶瓷材料抗磨硬质相，在灰铸铁表面生成以高强度高买耐磨性的表面挺复合材料，以一定体积分数的TiC颗粒为抗磨硬质相的陶瓷金属基表面梯度复合材料。本项目的研究，将促进TiC增强钢铁基表面梯度复合材料原位合成机理、表面复合材料不同形态陶瓷层磨损机理、成型工艺等方面的基础研究工作，构建出原位合成TiC增强钢铁基表面梯度复合材料理论及技术体系，特别对解决高消耗、大能量冲击、严酷磨料磨损工况条件下材料的应用问题产生深远的影响，促进高性能表面陶瓷层复合材料在磨损工况下的实际应用，具有重大的社会和经济意义。1.3.2 本课题主要研究的内容本实验研究的主要目的是采用铸渗-热处理工艺，制备出能够提高材料表面耐磨性的碳化钛增强铁基表面梯度复合材料，并深入研究增强体TiC颗粒及致密TiC陶瓷层对基体力学及磨损性能的影响，本文的研究内容可以归结为以下几个方面：1）用本方法成功制备出TiC/Fe基表面梯度复合材料；2）鉴定和分析原位合成TiC/Fe表面梯度复合材料的显微组织结构；用扫描电子显微镜分析表面梯度复合材料中TiC硬质相的微观形貌、尺寸、分布及TiC硬质相和Fe基体的界面结合情况3；3）研究原位合成TiC/Fe基表面梯度复合材料的力学性能；用显微硬度计测量TiC/Fe基表面梯度复合材料的显微硬度。4)研究原位合成TiC/Fe表面梯度复合材料的磨损性能；对表面梯度复合材料进行磨粒磨损试验并分析磨损表面形貌，探讨TiC/Fe基表面梯度复合材料的磨损机理。1.3.3 本课题主要创新点1)首次提出以钛板和铸铁为原料，原位合成了TiC/Fe表面梯度复合材料；2)首次通过，在基体表面原位生成制备出了TiC/Fe表面梯度复合材料，研究了其反应机理和微观结构；3)本文系统的研究了TiC/Fe表面梯度复合材料磨损性能，从而进一步完善了TiC/Fe表面梯度复合材料研究内容。4)首次提出了TiC陶瓷层提高复合材料表面耐磨性，相对于普通硬质颗粒有了跟进一步的提高。通过上述研究为开发出高寿命、低成本、具有广泛应用前景的铸渗热处理工艺，原位生成TiC增强铁基表面梯度复合材料，提供科学理论依据与应用基础，并开发出具有自主知识产权的，制备颗粒增强铁基复合材料的新途径。第二章 试验方法2.1 试验材料2.1.1 钛板本研究选用厚度为250m的高纯度钛板（纯度99.7%）为合成TiC的钛源，为反应提供反应所需的Ti原子，钛板（如图2.1）来自于宝鸡市天宇稀有金属有限公司。其成分见表2.1。表2.1钛板的化学成份（wt.%）牌号化 学 成 分FeCNHOTiTI10.070.020.020.0010.11余量2.1.2 基体基体是金属基复合材料的主体部分，它不仅起着固定增强相的作用，还起着分担、传递各种载荷的作用，金属基体的性能对复合材料的性能起着非常重要的作用，其密度、强度、塑性、耐蚀耐热性能、导电导热性能等均能影响到复合材料的整体性能。在复合材料的基体选择中，铁基尚未引起人们的重视，应用有限。这主要是由于钢铁材料的比重大、熔点高、制造工艺复杂等原因。随着现代工业的飞速发展，在高温、高速和高耐磨下工作的情况越来越多，使得铁基复合材料的研究逐渐受到重视。以灰口铁HT300（如图2.2）作为基体因为它有一定的硬度和强度，能够支撑TiC颗粒，使TiC颗粒在承受载荷时不至于陷入基体中或直接被拔出。另一方面，灰口铁作为基体还具有一定塑性，这样在承受冲击时不至于发生脆性断裂。从材料制备的角度考虑，灰口铁基体在在液态或者熔融态具有较好的流动性，这样与增强相的结合更好。从加工角度考虑，灰铸铁硬度应该适中，便于产品的机械加工。从以上角度考虑，使采用HT300作为基体（来自西安庆华铸造厂），铸铁成分见下表2.2。HT300硬度适中，具有一定塑性，成本较低，易于得到，应用广泛，且含碳量较高，能够提供足够的碳来合成TiC。图2.1 钛板图2.2灰铸铁表2.2 灰铸铁HT300的化学成分（wt.%）化学成分CSiMnPSFe含量w%3.450.560.2680.2240.024余量2.2 研究方法及技术路线结合文献，本研究试图在铁基体表面原位合成TiC颗粒增强的表面梯度复合材料，其主要思路为：首先对本实验的可行性进行验证分析，并且选择合理的工艺（铸渗-热处理），制备出表面复合材料，然后运用实验设备和技术手段对制备出的复合材料进行组织结构分析和性能测试并进行相关理论研究。下图2.3为本实验的研究流程图。差热分析选择反应体系及温度制备复合试样-原位反应制备TiC/Fe基复合材料微观组织检测微区组织及机理分析分XRD检测反应区成分硬度及耐磨性测试图2.3 实验研究技术路线流程图2.3 实验方法2.3.1 TiC/Fe表面梯度复合材料的制备将Ti板固定在石墨坩埚内，石墨坩埚内部尺寸为202020（如图2.4），用中频感应炉熔炼灰铸铁并浇铸到石墨坩埚中，浇铸温度14501550，冷却后脱型清理，即可获得TiC/Fe复合试样。将该复合试样放入真空炉内1138保温8h，该温度是根据DTA温度确定出来的共晶点温度确定，加热完成后经炉冷至室温后取出，经不同目数的金相砂纸磨过及金相抛光机抛光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，并烘干。图2.4 石墨坩埚模型2.3.2 微观组织分析形貌观察在捷克的VEGA3LMH型扫描电子显微镜上进行，可进行材料样品的微观结构、形貌观测、异物分析、断口分析、粒径测量。并配有能谱分析析仪(EDS)，可对材料成分进行定性分析，并能对元素分布状态进行分析。技术指标：二次电子：3.0 nm（30kv），8.0 nm（3kv），背散射：3.5 nm（30kv），放大率：4X1000000。XRD分析在日本理学D增强max-RB旋转阳极X射线衍射仪上进行。测试条件为：选用CuK射线，用单色器滤波(1.5481)。射线管工作电压和电流分别为40 kV和45 mA。结合pdf2000数据库对照复合材料中所有可能相的pdf卡片，软件Jade上完成衍射图中峰的标定，用背底剥离和自动匹配，完成复合材料的相分析。2.3.3 显微硬度测试显微硬度测试在HDX-1000型显微硬度计上进行，实验载荷定为0.05 kg，保荷时间为10 s。试样经抛光处理以后，对不同反应区及各反应区之间的结合处进行显微硬度测试，为了使所测得的显微硬度更加准确，采用三条硬度曲线取平均值或者对每个反应区及各反应区之间的结合处分别抽取三个点进行测试，取算术平均值，试样的显微硬度值按照下面的公式进行计算（公式2-1）： (2-1)式中，HV是显微硬度(kg/mm2)；P是施加的载荷(g)；d是压痕对角线长度(m)。2.3.4 磨损性能测试磨损试验磨损实验型号为ML-100型静载销盘磨损试验机上进行二体磨料磨损试验。用数控电火花切割机截取4*25mm的圆柱磨损试样，磨损试样经超声波清洗，放入干燥箱中烘干。磨粒选用同种目数不同目数（不同粒度）Al2O3砂纸，圆盘转速60 r/min, 每次持续2 min，载荷为5N，研究同种载荷、同种磨料、不同粒度对表面复合材料的磨损性能的影响；选用同种磨料、同一载荷、研究表面梯度复合材料在不同体积分数TiC下的磨损性能。用称重法称取磨损失重，用单位面积内的重量损失来考核复合材料的磨损率，单位面积上的质量损失越大，磨损率越大，耐磨性越差，对比试样为灰口铸铁。磨损性能评定计算采用如下公式（公式2-2）：相对耐磨性=标准试样磨损失重量/复合试样磨损失重量 (2-2) 式中表示材料的相对耐磨性，值越大，表明材料的耐磨性越好，反之值越小，表示材料的耐磨性能越差。第三章 TiC/Fe表面梯度复合材料微观组织及力学性能3.1 引言原位合成是通过化学反应来得到尺寸细小均匀、界面干净、形状规则、热力学稳定、与基体金属结合牢固的硬质相颗粒。硬质相颗粒是否稳定存在、它的尺寸、形貌、它本身的晶体特征及同基体材料的金属学关系，是影响复合材料综合性能的主要因素。对于一个给定的反应，在指定条件下能否自动进行，向哪个方向进行，生成什么颗粒相，进行到什么程度，外界条件对反应有什么影响，如何控制外界条件使反应向预定的方向进行，反应过程中能量的变化关系怎样，这些问题的研究主要以热力学理论为基础，因此对原位合成反应热力学的理论计算有之间的反应制备碳化利于解释原位合成反应机理、反应产物的相组成、生长形态及工艺参数的控制，可以为实验研究提供有效的理论指导，同时也可以减少实验的盲目性。所以对反应热力学的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有实际意义。本章从热力学方面对利用钛、铁与碳钛颗粒增强铁基复合材料进行理论探讨。TiC具有高熔点、高硬度和高脆性等优异的物理力学性能，并且相对于V、Nb、Ta等稀有金属，Ti具有成本低廉等优点。因此，把TiC作为钢铁基复合材料的理想增强体，具有更广泛的实用性和指导意义。虽然在金属碳化物中TiC稳定性最好，硬度最高，但同时存在与铁的润湿性差，利用粉末冶金制备TiC烧结温度高，并且铁与钛的结合性能也不好；而采用原位合成TiCP增强钢铁基表面复合材料则不会遇到上述问题。本研究正是利用了原位合成方法制备碳化钛颗粒增强铁基表面梯度复合材料，在基体表面生成了一层大约为0.25mm的TiC颗粒增强表面梯度复合材料层，并且对不同体积分数TiC颗粒层的形成过程进行了组织机理分析，整个实验过程利用XRD、SEM（带EDS）检测手段分析了TiC颗粒的合成和生长机制6-11。3.2 Fe-Ti-C体系的DSC测试结果3.2.1 实验材料及试样要求本实验采用的原材料为纯度为99.7%钛板以及铸铁HT300，实验钛板厚度为0.25mm，具体成份见上一章表2.1和表2.2 。利用数控电火花线切割制备尺寸为222（单位：mm）的Ti/Fe小试样,进行DSC(示差扫描量热法)分析。3.2.2 DSC结果分析用SDTQ600型综合热分析仪对Fe-Ti-C体系进行DSC分析，研究在加热下发生的反应过程，通过对热效应的测定，研究分析升温过程的转变和反应等。具体工艺为:在Ar气氛保护下，采用A12O3坩埚，试样采用222（单位：mm）的Ti/Fe复合小试样，以10/min的升温速度从室温升至1200，Ar气的流量为100.0 ml/min。图3.1 试样的差热分析曲线 图3.1为试样的差热分析结果。由图可以看出，从800至1200有几个显著的热效应发生。首先是在829.46出现一个吸热峰，之后在1078.4出现一个小的吸热谷，然后在1137.86处出现一个强的尖锐的放热峰。经多次实验证明，在1138处发生了Ti+C=TiC的反应。3.3 复合材料的X射线衍射物结果及分析由XRD谱图可以看出（如图3.2），本实验制备出的TiC颗粒增强铁基表面梯度复合材料的相组成为TiC相、-Fe相、石墨和渗碳体相，不存在单质Ti的衍射峰，可以推测，钛板已经完全反应。实验结果表明：Ti与碳的反应程度很高，且反应进行完全，没有找到单质Ti或其它杂志化合物的衍射峰。因此，可以初步判断，增强相以TiC的形式大量存在于该表面梯度复合材料中。图3.2 TiC/Fe表面梯度复合材料的XRD图谱3.4 复合材料在SEM下的组织分析3.4.1 宏观形貌分析C B A Matrix 图3.3 表面梯度材料纵剖面宏观形貌图3.3为TiCP/Fe表面梯度复合材料的宏观放大形貌纵剖面图。由该图可以看出，Ti板已反应完全，反应层总厚度约为266.7m。三个不同形貌区（A、B、C）反应层厚度分别是：A-80m，B-76.7m，C-110m。显然，TiC颗粒在生成后，由于其密度较小出现颗粒漂浮现象导致反应层厚度大于反应前板的厚度。3.4.2 微观形貌分析 图3.4 A区域放大形貌图图3.4为小颗粒状的TiC，该区域组织基本上以小颗粒状态存在，最小颗粒粒径约1.0um，颗粒平均大小2.0um。各颗粒之间的界限清晰可见，且颗粒均匀分布，颗粒之间被条状珠光体组织分隔，该区域中TiC 颗粒最小。该区域首先接触基体中扩散过来的石墨，由于石墨含量较高，TiC的形核率也增大，数量增多，使得碳的扩散距离减小。由于反应动力不足，为了使内部未反应的钛板进一步发生反应，我们采用较长时间保温，基体中的石墨透过TiC缓慢地进入钛板中，加之TiC 的密度远小于铁，在此区域出现了较大的密度差，TiC缓慢上浮扩散入基体中；在此阶段，该区域的TiC 处于高碳环境，导致了以下情况的发生：石墨对基体之间以及基体与颗粒产生了很大的割裂作用，而且抑制了TiC晶粒的生长，所以此区域的TiC颗粒相对较小。图3.5 B区域放大形貌图该图(图3.5)为长条状或大颗粒状的TiC。该区域组织形成的原因是：A区域致密的TiC 小颗粒对石墨扩散起到了一定的阻隔作用,石墨的扩散是通过A 区域TiC 颗粒间的珠光体组织扩散进入B区域,扩散进来的石墨与该区域未反应的Ti 板发生化学反应生成TiC。随着石墨的不断缓慢进入，石墨含量足以满足Ti 板充分反应，但含量较A区域少了很多，所以新生成的TiC小颗粒相逐渐生长成大颗粒或长条状。因此可以看出，石墨扩散速度与进入钛板含量决定了TiC 颗粒的形状与大小，所以该区域既存在大颗粒状状TiC 组织，也存在长条状TiC 颗粒组织。与A区域另一个明显的区别，就是扩散进入该区域的珠光体组织明显减少。从某种程度上说，珠光体组织减少，基体对TiC 颗粒的支撑作用减小，在材料的磨损过程中容易出现颗粒剥落；相反，这种大颗粒对材料的磨损会起很好的支撑作用，提高材料的耐磨性。图3.6 C区域放大形貌图该图(图3.6)为大块状TiC。由分子运动热力学与动力学解释，片状石墨要扩散进入这个区域相对比较困难，扩散动力不充足，只有微量的石墨进入该区域与Ti 板反应，该区的反应机理与A和B区域基本相同，主要不同在于石墨的含量。该区域在石墨刚好满足反应的情况下，基本没有多余的石墨，因此TiC 颗粒迅速生长，长大成大颗粒状或片状，然后生长成大块状，直至最后团聚在一起，形成了致密的TiC陶瓷层，陶瓷成厚度60110um。由此推断，该区域致密的陶瓷层，大大提高了复合材料表面的耐磨性能，也进一步反映了陶瓷层对抵抗材料摩擦磨损的巨大作用。3.5 复合材料显微硬度测试我们利用在真空炉1138烧结8h，成功制备了TiC颗粒增强铁基表面梯度复合材料；其表面梯度材料总厚度大概为266.7m，A区：80m，B区：76.7m，C区：110m；为了进一步探求其生成层的显微硬度变化情况，我们对不同区域进行了显微硬度测试。测试方法：从致密陶瓷层C区至基体区，每隔15m打一次显微硬度值，总共测了21个硬度值，数据见表3.1。根据表3.1的结果我们做出表面梯度复合材料不同区域硬度分布图，图3.7即为表面梯度复合材料反应后不同区域硬度分布情况图。表3.1 显微硬度实验结果图3.7 表面梯度复合材料不同区域硬度分布通过对复合材料进行硬度测定可知:富含TiC增强粒子的复合区相对于基体来说，硬度得到明显提高，增强效果显著。复合区硬度最高达3231HV0.05，复合区域的平均硬度为2058HV0.05，是基体平均硬度的10倍。第四章 TiC/Fe表面梯度复合材料磨损性能及磨损机理4.1 引言材料的磨损是两个以上的物体表面在法向力的作用下，相对运动及有关介质、温环境的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。磨损是摩擦学研究的擦、磨损、润滑三大课题之一，也是机械零件失效的三种主要原因之一(即磨损、蚀、断裂)。磨损现象是日常生活和国民经济的各个领域中普遍存在的现象，诸如金矿山、建材工业、机械工业、航空航天等行业，由于磨损所带来的能源和材料消数量惊人。据统计，世界工业发达国家能源约30%是以不同形式消耗在磨损上的。这些磨损现象中间，磨料磨损(AbrasiveWear)所造成的消耗在磨损领域占有巨大的额。因此，有关材料磨料磨损机理和性能的研究是磨损研究领域中重要的研究方向一。研究和开发新型耐磨料磨损的工程材料，提高材料和能源利用水平，这无论是经济利益上，还是在社会价值上都有着重要而深远的意义。本文研究新型TiC/Fe耐磨复合材料的初衷，是为了开发一种新型的抗磨料磨损材料，并使此种耐磨材料适应用于冶金矿山机械、农业机械，建工机械等恶劣的磨料磨损工况。因此，本文有对性的选择了磨料磨损的工况，对TiC/Fe耐磨复合材料的磨损机理和耐磨性能进探讨研究12-18。4.2 试验方法及条件4.2.1 试验装置磨损实验两体磨料磨损试验机采用ML-100干式销盘磨料磨损试验机，实验装置示意图如图4.1所示。图4.1 销盘磨损试验示意图ML-100干式销盘磨料磨损试验机，各项指标： 最大载荷：10公斤 载荷范围：0.210公斤圆盘转速：60转/分 试样进给量：1、2、3、4毫米/转4.2.2 试验方法TiC/Fe基表面梯度复合材料制备在本文第二章已经仔细写过，然后将制备好的TiC/Fe基表面梯度复合材料将用电火花线切割设备切割为尺寸425mm的磨损试样；磨损面采用磨削加工方法加工后再进行研磨抛光，加工至尺寸要求。磨损试验在如图4.1所示的ML-100干式销盘磨料磨损试验机上进行。试样安装在试样夹上，当圆盘转动时，试样相对于装有砂纸的圆盘作阿基米德螺旋线运动，试样在圆盘上每圈的步进距离为4毫米，保证试样总能与新鲜的磨料接触，试样走完一个行程后取出放在酒精中用超声波清洗干净，然后用电吹风吹干，用精度0.0001g的电子天平称重，记录下试样磨损后的重量，取三个试样失重的平均值。具体的步骤如下：（1）预磨 对制备好的磨损试样进行预磨，在这一步骤我们要注意的是必须对于所有的磨损试样采用同一目数砂纸，并保证试样工作面保持同一状况；预磨时每个试样都保持在同一目数的砂纸跑合两个行程；（2）清洗并称量 对预磨后的每一个试样进行超声波清洗（型号：KH-500DE，厂家：昆山禾创超声仪器有限公司），然后用酒精清洗并烘干，用