高性能复合芯棒表面梯度强化层设计与制备

Mandril is the most important rolling tool for metallurgy and forming process, while its too short service life remains a major technical problem to be solved for metallurgical enterprises (especially tube rolling enterprises) in our country. With focus on the main failure mode (i.e. hot-abrasion and fatigue) and the working requests of the mandril, this project adopts H13 tool and die steels as substrate, a abrasion resisting TiC、WC、SiC ceramic phase of high-hardness and good wettability with Fe-C alloys as strengthened phase, and and FeB(Mo) or FeTi system as connecting phase which can be prepared by liquid phase sintering method. By means of plasma spraying and vacuum liquid phase sintering, the spraying and sintering parameters, composition and heat-treatment technique will be controlled to gain a case strengthened composite mandril structure which meets the specific composition requirement and possesses optimized organization and composition gradient, as well as high adhesive strength，contact stiffness, thermalstability, and abrasion resistance. In this project, an effective method to reduce the mandril abrasion and prolong its service life through surface strengthening technique will be explored.

芯棒是钢材冶金与成型最重要的轧制工具，芯棒服役寿命过短是我国冶金企业（尤其是轧管企业）普遍存在而且亟待解决的重大技术难题。针对芯棒的主要失效形式（热磨损和热疲劳）与工况要求，本项目以H13工模具钢为基底，以与Fe-C合金有良好的润湿性、硬度高和耐磨性能好的TiC、WC、SiC等陶瓷相为增强相，同时选择具备液相烧结条件的FeB(Mo)和FeTi体系为基体与增强相的连接相，采用等离子喷涂与真空液相烧结的方法，通过控制喷涂-烧结参数、成分配比及热处理工艺，获得满足特定的成分要求、具有优化的组织和成分梯度、高结合强度和接触硬度、高热稳定性、耐磨损的芯棒表面强化复合结构，探索采用表面涂层强化技术降低芯棒消耗、提高芯棒服役寿命的有效途径。

本项目采用原位反应硼化烧结法制备Mo2FeB2基金属陶瓷，研究了不同添加量的硼和稀土元素其对Mo2FeB2基金属陶瓷的液相烧结温度的影响，并采用等离子喷涂和烧结相结合的方法将成分优化后Mo2FeB2基金属陶瓷涂涂层由于提高H13工具钢的表面强度。.项目研究了不同硼含量的Mo2FeB2基金属陶瓷，研究了硼对其微观组织和性能的影响。研究表明，当硼的添加量为1.0%～2.0%时，Mo2FeB2基金属陶瓷的液相起始温度显著降低，同时液相驱动力提高，加速了Mo2FeB2 颗粒的“重排—溶解—再析出”的过程，进而有利于Mo2FeB2基金属陶瓷结构的致密化和显微组织的改善。力学性能测试结果表明，在原料中添加1.0%～2.0%单质硼可显著提高Mo2FeB2基金属陶瓷的强度、硬度及耐磨性等。稀土元素Y主要偏聚在Mo2FeB2基金属陶瓷的晶界和相界上，可以净化晶界，并可以作为晶粒长大抑制剂而细化晶粒；少部分的稀土元素Y会固溶在Fe基粘结相中，使得Fe基粘结相的组织结构发生变化，使其对Mo元素的溶解度不同，从而使得Fe基粘结相对于Mo2FeB2硬质相的润湿性产生变化。此外，对不同B与稀土元素含量的Mo2FeB2基金属陶瓷的磨损机理进行分析和研究。.采用等离子喷涂和原位反应烧结相结合的工艺在H13钢基体上制备Mo2FeB2基金属陶瓷涂层。通过对喷粉中不含硼单质与含有硼单质的两种模型的涂层的孔隙率、物相组成、硬度、耐磨性、弹性模量等方面进行对比分析，得出在喷粉中添加适量的硼单质有利于涂层烧结性能的改善和涂层性能的提高。.项目累计发表标注论文17篇，申请专利4项。