Fe-Cr-B-Al合金凝固过程及高温磨损下的组相协同控制研究

High temperature wear is a severe and complex operation, and has hihger requirement on the properties of wear-resistant material. The traditional metal materials are difficult to meet the requirements of high temperature wear. In this project, we calculate the phase diagram of Fe-Cr-B-Al alloy containing 10～15wt%Cr, 1～3wt%B, 0～10 wt%Al and 0.15～0.45 wt%C by means of the Thermo-Calc software for thermodynamic calculation. We also simulate the solidification process of Fe-Cr-B-Al alloy and the relationships between alloy composition and solidification microstructure are obtained.On the basis of calculation and simulation, we investigate systematically the formation,competition and preferential growth kinetics of phases in the solidification of Fe-Cr-B-Al alloy. The effects of chromium, boron, aluminum, carbon contents on the solidification structure, mechanical properties and high temperature stability of Fe-Cr-B-Al alloy are studied. . Moreover, the effects of carbide, boride and metal matrix on high temperature wear mechanism of Fe-Cr-B-Al alloy are also studied. The interdependence of phases in Fe-Cr-B-Al alloy at high temperature wear is realized.In addition, we will study the failure mechanism of Fe-Cr-B-Al alloy at high temperature wear, which benefits to improve further the wear resistance of Fe-Cr-B-Al alloy at high temperature wear. The ultimate goal of this study will provide the basis for developing cheap metal materials which have better wear resistance at high temperature.

高温磨损是一种严酷而复杂的工况，对材料性能要求苛刻，传统金属材料很难满足要求。本项目以廉价的铬、硼、铝、铁为主要元素，采用Thermo-Calc热力学计算软件，对含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合金相图进行计算，对该合金体系的凝固过程进行模拟，获得合金成分与凝固组织的关系。在此基础上系统研究合金凝固中相的形成、相的竞争与择优生长动力学规律以及铬、硼、铝、碳含量变化对合金凝固组织、力学性能及高温稳定性的影响。. 此外，研究碳化物、硼化物和基体对高温磨损的影响机制及高温磨损下的相互依赖性，实现Fe-Cr-B-Al合金高温磨损下的组相协同控制，并揭示Fe-Cr-B-Al合金高温磨损机理，以进一步提高合金的高温抗磨性。本研究的最终目标是为开发具有更好高温抗磨性的新型廉价金属材料提供依据。

高温下磨损部件长期处于较为严酷的工况中，不仅在高温下承受摩擦磨损，而且高温环境中，造成材料的氧化腐蚀，这种复合损伤大幅度降低了部件的服役寿命。Fe-B合金作为一种新型耐磨材料，具有低成本、高硬度、高耐磨性等优点，但Fe-B合金的高温性能鲜被研究。因此，本文提出了以Fe-B合金为基础，利用合金中Fe2B为硬质抗磨性，通过添加成本较低的Al、Cr等能显著提高合金高温抗氧化性能的元素，制备新型高温耐磨材料，并系统研究相关材料的组织、高温抗氧化性能以及高温耐磨性。.首先通过高温氧化实验研究了Fe-B合金的氧化动力学规律及氧化机制，发现合金的氧化速率常数在氧化初期随着B含量的增加越来越大，而在氧化后期却随着B含量增多而逐渐变小，进一步研究揭示了其主要原因在于Fe2B硼化物在高温环境中，易于发生氧化反应生成B2O3，而该氧化物高温下有一定的流动性，能修复氧化层中的微小裂纹和孔洞，且其与SiO2聚集于氧化层/基体界面处，从而对合金的进一步氧化产生明显的阻碍作用。B2O3-SiO2氧化物层的出现，直接导致Fe2B硼化物在700℃长时间氧化时表现出较基体更佳的抗氧化性能。.分别以SiO2和SiC为磨料研究了以上合金在不同温度下的三体磨损性能，结果表面：Fe-B合金在两种磨料磨损时，磨损率均随着温度升高逐渐升高；Fe2B硼化物在室温和200℃磨损出现破碎断裂现象，温度升高到400℃以上，硼化物破碎现象消失，但由于Fe2B硬度急剧下降，因此磨损率随温度升高逐渐升高；而以SiC为磨料时，在600℃以下均出现硼化物的断裂和剥落。Al元素的添加提升了Fe-B合金的硬度和高温抗氧化性能，且Fe-B-Al合金出现了韧性较好的Fe3AlC0.5相，因此该系合金在两种磨料磨损时，磨损率均随着温度的升高缓慢下降，且Al含量越高，磨损率越低；Al、Cr元素同时加入制备的Fe-Cr-B-Al合金基体和硬质相在抗氧化性能上具有最佳的协同性，且高温硬度较高，两种磨料磨损时，磨损率均随着温度的升高逐渐降低，不但成本较低且耐高温磨损性能显著优于参比试样Cr26高铬铸铁。