《Fe-Cr-B-Al合金凝固過程及高溫磨損下的組相協同控制研究》是依託北京工業大學，由符寒光擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Fe-Cr-B-Al合金凝固過程及高溫磨損下的組相協同控制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：符寒光
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高溫磨損是一種嚴酷而複雜的工況，對材料性能要求苛刻，傳統金屬材料很難滿足要求。本項目以廉價的鉻、硼、鋁、鐵為主要元素，採用Thermo-Calc熱力學計算軟體，對含10.0～15.0 wt%Cr、1.0～3.0 wt%B、0～10.0 wt%Al和0.15～0.45 wt%C的Fe-Cr-B-Al合金相圖進行計算，對該合金體系的凝固過程進行模擬，獲得合金成分與凝固組織的關係。在此基礎上系統研究合金凝固中相的形成、相的競爭與擇優生長動力學規律以及鉻、硼、鋁、碳含量變化對合金凝固組織、力學性能及高溫穩定性的影響。. 此外，研究碳化物、硼化物和基體對高溫磨損的影響機制及高溫磨損下的相互依賴性，實現Fe-Cr-B-Al合金高溫磨損下的組相協同控制，並揭示Fe-Cr-B-Al合金高溫磨損機理，以進一步提高合金的高溫抗磨性。本研究的最終目標是為開發具有更好高溫抗磨性的新型廉價金屬材料提供依據。
結題摘要
高溫下磨損部件長期處於較為嚴酷的工況中，不僅在高溫下承受摩擦磨損，而且高溫環境中，造成材料的氧化腐蝕，這種複合損傷大幅度降低了部件的服役壽命。Fe-B合金作為一種新型耐磨材料，具有低成本、高硬度、高耐磨性等優點，但Fe-B合金的高溫性能鮮被研究。因此，本文提出了以Fe-B合金為基礎，利用合金中Fe2B為硬質抗磨性，通過添加成本較低的Al、Cr等能顯著提高合金高溫抗氧化性能的元素，製備新型高溫耐磨材料，並系統研究相關材料的組織、高溫抗氧化性能以及高溫耐磨性。 首先通過高溫氧化實驗研究了Fe-B合金的氧化動力學規律及氧化機制，發現合金的氧化速率常數在氧化初期隨著B含量的增加越來越大，而在氧化後期卻隨著B含量增多而逐漸變小，進一步研究揭示了其主要原因在於Fe2B硼化物在高溫環境中，易於發生氧化反應生成B2O3，而該氧化物高溫下有一定的流動性，能修復氧化層中的微小裂紋和孔洞，且其與SiO2聚集於氧化層/基體界面處，從而對合金的進一步氧化產生明顯的阻礙作用。B2O3-SiO2氧化物層的出現，直接導致Fe2B硼化物在700℃長時間氧化時表現出較基體更佳的抗氧化性能。 分別以SiO2和SiC為磨料研究了以上合金在不同溫度下的三體磨損性能，結果表面：Fe-B合金在兩種磨料磨損時，磨損率均隨著溫度升高逐漸升高；Fe2B硼化物在室溫和200℃磨損出現破碎斷裂現象，溫度升高到400℃以上，硼化物破碎現象消失，但由於Fe2B硬度急劇下降，因此磨損率隨溫度升高逐漸升高；而以SiC為磨料時，在600℃以下均出現硼化物的斷裂和剝落。Al元素的添加提升了Fe-B合金的硬度和高溫抗氧化性能，且Fe-B-Al合金出現了韌性較好的Fe3AlC0.5相，因此該系合金在兩種磨料磨損時，磨損率均隨著溫度的升高緩慢下降，且Al含量越高，磨損率越低；Al、Cr元素同時加入製備的Fe-Cr-B-Al合金基體和硬質相在抗氧化性能上具有最佳的協同性，且高溫硬度較高，兩種磨料磨損時，磨損率均隨著溫度的升高逐漸降低，不但成本較低且耐高溫磨損性能顯著優於參比試樣Cr26高鉻鑄鐵。
