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本文采用熔体原位合成法成功地制备了以普碳钢、2Cr13和304(0Cr18Ni9)不锈钢为母合金的三类TiC颗粒弥散强化钢,并用电渣重熔工艺改善了TiC强化2Cr13和304(0Cr18Ni9)钢的显微组织。利用多种现代分析手段,分析研究了TiC/普碳钢、TiC/2Cr13、TiC/304强化钢铸态和形变态的显微组织、拉伸力学性能、抗点蚀性能、抗蠕变性能、抗氧化性能和耐磨损性能。
对三类TiC强化钢的显微组织观察表明,TiC颗粒的引入能明显细化合金的铸态组织,TiC在钢中分布均匀,颗粒形状为规则等轴状,尺寸在0.1~10μm之间。TiC的加入促进了亚共析钢(含碳量为0.55%的普碳钢)退火态显微组织中铁素体的析出,抑制了过共析钢(含碳量为1.4%的普碳钢)二次渗碳体的析出。在含碳量为1.4%的弥散强化高碳钢中,TiC颗粒发生了轻微的团聚。
对三类TiC强化钢的力学性能测试结果表明,TiC的加入使钢的室温强度比母合金有较大提高,但韧性利塑性降低。在含碳为0.55%的亚共析钢中加入TiC后,由于析出了大量网状铁素体,室温强度有所降低。在以304钢为母合金的强化钢中,随TiC加入量的增加室温强度提高,塑性和韧性则下降。与室温下的结果相比,高温下TiC加入量的增加对钢强度的改善作用较低。
采用电渣重熔工艺后,消除了由于TiC的加入而引起的铸造缺陷问题。TiC强化2Cr13钢经过电渣重熔后,铸态组织和TiC颗粒得到了细化,TiC颗粒在基体中分布更均匀。电渣重熔不改变TiC强化2Cr13钢中颗粒的相组成,但使TiC中的C原子百分数增高。
TiC/2Cr13强化钢进行电渣重熔后,室温强度有所改善,塑性和韧性得到显著的提高。在用感应炉熔炼所获得的TiC强化2Cr13钢中,TiC颗粒较大,且有轻微团聚。拉伸和冲击过程中颗粒易破碎,断裂失效是以TiC增强体失效机制为主。电渣重熔后,TiC强化2Cr13钢中TiC颗粒细化,且分布很均匀,因此在拉伸和冲击过程中颗粒未破碎,断裂失效是以TiC与基体的界面失效机制为主。
在含有Cl-离子的稀盐酸溶液中,TiC颗粒的加入使2Cr13钢腐蚀速率急剧增大,经电渣重熔后,TiC强化钢抗腐蚀性能得到了很大的改善。在850℃/96h氧化条件下,TiC的引入大幅度提到了304钢的抗氧化性能,但过多的加入量反而会导致抗氧化性能下降。SEM观察显示,304钢(母合金)发生了很严重的内氧化。TiC加入后,内氧化不明显,但可观察到明显的晶界氧化。TiC的加入明显减少了304钢氧化膜中Fe3O4含量,提高了Cr2O3含量。随着TiC加入的提高,氧化膜中Cr2O3和TiO2的百分数也增高。
在700℃/55 MPa,750℃/55 MPa和800℃/55 MPa三种蠕变条件下, TiC颗粒的引入大大降低了稳态蠕变速率,明显提高了304钢抗蠕变性能。随着蠕变温度的提高和TiC含量的增加,TiC对母合金的抗蠕变性能的改善作用更显著。
在普碳钢中加入TiC后,油润滑磨损条件下的耐磨性得到了大幅度的提高,但随着磨损载荷的加大,TiC颗粒对抗磨损的改善作用减弱。对于含碳量为1.4%的过共析钢,TiC的引入反而导致耐磨损性能的下降。对于2Cr13钢为母合金的强化钢,TiC的引入也显著改善了油润滑磨损条件下钢的耐磨性能。采用电渣重熔工艺,可使TiC颗粒尺寸更小,分布更均匀,从而使耐磨损性能进一步提高。在304钢中加入TiC颗粒,也能改善油润滑磨损条件下的耐磨损性能,但效果比普碳钢和2Cr13钢稍差。在以刚玉轮为摩察副的干磨损条件下, TiC的加入使亚共析钢((含碳量为0.55%的普碳钢))和共析钢(含碳量为0.8%的普碳钢)的耐磨性能显著提高。然而对含碳量为1.4%的过共析钢,TiC的引入没有显著的改善合金在干磨损条件下的耐磨损性能。