高硼高速钢相平衡热力学设计及硼碳化物硬质相形成机制研究

发布时间：2020-03-19 02:04

【摘要】：高速钢由于其较高的硬度、优良的耐磨性和耐热性,逐渐从传统的刀具材料扩展至高温轧辊、轴承、机械零件及高档冷作模具等领域,且需求量呈日益增加的趋势。然而,在传统高速钢耐磨材料中含有大量W、Mo、Cr、V和Co等金属元素,生产成本较高,严重制约了该材料的推广和应用。尤其是近年来金属价格的不断攀升,开发出生产成本低,满足实际工况需求的新型耐磨材料成为研究者亟待解决的重要科学问题。研究表明,通过在传统高速钢耐磨材料中添加适量的硼元素,能够在基体中获得硬度更高、热稳定性更好的硼化物硬质相,具有较好的应用前景。然而,硼元素对硼碳化物硬质相析出行为,以及凝固过程中的相平衡热力学与组织性能的关系仍不明确。基于此,本论文首先详细分析了高硼高速钢的凝固过程、析出相、微合金化、热处理及强韧性机理等关键科学问题,并阐述了硼碳化物硬质相的形成机制及热力学设计方法。基于材料热力学的亚晶格点阵模型、亚规则溶体模型和密度泛函理论,构建析出相的热力学模型,阐明各析出相的电子结构和热力学特性,并确定合金含量对析出相的影响规律,揭示合金元素在析出过程中的相互竞争机制,探索合金元素对组织和性能的调控机理。在此基础上,根据成分优化结果制备了高硼高速钢试样,研究了高硼高速钢铸态微观组织,碳硼化物形态及元素分布,探索淬火和回火工艺对微观组织的作用机制,揭示并验证热力学模型对合金的性能调控机理。同时,本文还研究了高硼高速钢在凝固行为中合金分布和物相转变的动力学过程,探索初生奥氏体、共晶析出相和二次析出相的生长行为,揭示析出相的形成机制,为进一步调控和提升高硼高速钢的性能提供理论依据。得到以下几点结论:(1)第一性原理计算表明,随着B含量的增加,硼碳化物相的硬度明显增加,其中W_2B的硬度最高(14.56 GPa)。在此基础上,构建了适合于Fe-M~1-M~2-M~3-M~4-C-B体系析出相的热力学模型,该模型与Thermo-Calc热力学软件的计算结果一致。此外,合金元素的种类是影响析出相和析出量的重要因素:B和Cr有利于M_2(B,C)硼碳化物的析出,而W和Mo能够促进M_3(B,C)硼碳化物的析出,V对M(B,C)硼碳化物的析出影响最大。(2)给出了热力学设计的最优成分(B:1.4~1.6 wt.%,C:0.40~0.50wt.%,W:0.5~1.0 wt.%,Mo:1.0~1.5 wt.%,Cr:3.0~4.0 wt.%,V:0.75~1.0wt.%)。确定了高硼高速钢铸态组织由珠光体、铁素体、残余奥氏体、少量马氏体和硼碳化物组成,其中硼碳化合物主要沿晶界分布。铸态组织中合金分布存在一定的偏析,碳主要分布于基体中,而硼主要分布于晶界,W、Mo、Cr和V等合金元素大部分与C和B在晶界处形成硼碳化物,少量存在于基体中。(3)热处理工艺指导下,淬火处理后的高硼高速钢的基体组织转变为韧性较好的低碳马氏体。同时,硬度和冲击韧性随着淬火温度的升高而逐渐增加。回火处理促进了残余奥氏体转变为回火马氏体,最佳回火温度为550℃,此时硬度最高为64.4 HRC。高硼高速钢的高温摩擦学行为主要包括氧化磨损,粘着磨损和磨粒磨损。并且摩擦系数(0.425)和相对磨损率(79%)最小时,淬火温度为1050℃。(4)硼碳化物析出的特征温度点分别为1350℃、1220℃、1100℃和1000℃。初生奥氏体于1350℃下析出,组织为初生奥氏体枝晶和沿晶界分布的共晶产物(共晶奥氏体+共晶硼碳化物)。在共晶反应过程中,M_2C碳化物和M_2(B,C)硼碳化物以相互依赖混合生长方式的析出。在1000℃析出的M_3(B,C)硼碳化物呈块状或颗粒状沿共晶硼碳化物与初生奥氏体的晶界或共晶硼碳化物与共晶奥氏体的晶界分布。M_3(B,C)硼碳化物的析出反应大致经历了合金元素扩散、合金元素在晶界处的聚集、M_3(B,C)的形核和长大等四个阶段。
【图文】：

相图,初生相,液相,高速钢

系统地研究了 Nb、Ta、Ti、Zr、Ca、金元素对 M2 高速钢凝固过程和组织的影响，并改善 M2 高速钢性能的后续研究提供了理论指导拟的方式，研究了不同 Si 含量的 M2 高速钢的凝 Si 含量的增加，共晶碳化物由层片状逐步转变为的析出量亦在增加；魏世忠[39]等研究了碳含量钢凝固过程的影响，确定了碳化物的析出顺序、应关系。北京工业大学的杨勇维和符寒光[40]lc 软件研究了铝对高硼高速钢相图与凝固组织的钢中的铝含量增加对相图中共晶点和共晶温度相图中奥氏体区域；②XRD 测试的物相、DSC 测算结果保持较好的一致性，证实了 Thermo-Calc结果的准确性。

形貌,固相率,液相,相研究

图 1.2 合金的固相率与液相质量分数的关系ig. 1.2 Relationship between the solid-state rate and the mfraction of the liquid phase相研究物硬质相特性的研究大致分为两种手段，，一种是计算出碳化物理想状态的晶体结构、物理化学特，这种方法以第一性原理计算为代表；另一种是用先进的检测设备(如 SEM、TEM、XRD 和 DSI 形貌、晶体结构和力学性能等特性[41~42]。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1

【参考文献】