激光比能对Fe2B激光熔覆涂层微观组织与性能的影响

利用粉末喷射激光熔覆以球形硼铁粉末为原材料成功制备了Fe2B金属间化合物涂层。采用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、显微维氏硬度计及摩擦磨损试验机对涂层/m2左右时,采用粉末喷射激光熔覆能制备较为理想的Fe2B金属间化合物涂层。制备的单层涂层的物相为Fe2B与Fe,显微硬度峰值达1360HV0.05,涂层组织中大量弥散分布的Fe2B相的生成是涂层具有高硬度的原因。制备的多层涂层与基体具有良好的冶金结合,从基体到涂层,组织经历了一个由平面外延生长组织到胞状晶再到等轴晶的演变过程,涂层稳定摩擦因数为0.385,磨损率为5.67×10-15m3/N·m,表现出良好的耐磨性能,磨损机制为磨粒磨损与疲劳磨损。

Microstructure, mechanical properties and toughening mechanism of directional Fe2B crystal in Fe-B alloy with trace Cr addition

Exploring the effective way to improve Fe2 B's toughness has always been the hot topic in the researches of Fe-B wear resistant alloys.In the present work,the effects of Cr on the microstructure,mechanical properties and lattice structure of directional Fe2 B have been investigated.The affecting mechanism of Cr addition has been discussed according to the experimental and first-principle calculation analysis.The results show Cr addition can improve the toughness of directional Fe2 B on the longitudinal sections perpendicular to(002) crystal plane,without sacrificing the hardness distinctly.The toughening mechanism by Cr substitution has been revealed:Cr addition enriches the electron density between the B atoms along [002] direction,contributing to the shrinkage of the bond length and the enhancement of the bond strength of B-B bonds.The obtained results provide insight into the intrinsic reason for toughening Fe2 B by Cr doping.

Fe_2B-Mo_2FeB_2基金属陶瓷的显微组织与性能

采用XRD、SEM及EPMA等方法研究Fe2B-Mo2FeB2基系列金属陶瓷的显微组织与性能。结果表明:Fe2B-Mo2FeB2基系列金属陶瓷的相组成均为Fe2B相、Mo2FeB2相、Fe3B相及少量Fe基黏结相,C及Mo原子分别部分置换Fe3B相中的B及Fe原子是该相能稳定存在于室温的重要原因。随着Mo含量的增加,金属陶瓷的硬度略有提高,抗弯强度由371 MPa增至833 MPa,提高452 MPa,增幅达到121.8%;金属陶瓷中长棒状Mo2FeB2相与Fe3B相复合组织含量增加的同时,Fe2B相含量减少是金属陶瓷获得优异性能的原因。

Fe_2B相价电子结构及其本质脆性

根据固体与分子经验电子理论对Ｆｅ_２Ｂ相的价电子结构进行了定量分析，通过键距差（ＢｏｎｄＬｅｎｇｔｈＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）方法计算了Ｆｅ_２Ｂ晶体配位团各键上的共价电子数。结果表明，沿［２２０］位向分布的Ｆｅ－Ｆｅ原子键最强，其共价电子数ｎ_Ａ＝０．３８５２，键能Ｅ_Ａ＝１５．７３７２ｋＪ／ｍｏｌ；沿［００２］位向分布的Ｂ－Ｂ原子键较弱，其共价电子数ｎ_Ｄ＝０．１３９２，键能Ｅ_Ｄ＝４．５０５２ｋＪ／ｍｏｌ。从而建立了Ｆｅ_２Ｂ晶体原子间的空间键络，并从键络分布的不均匀性解释了Ｆｅ２Ｂ本质脆性的产生原因。将Ｆｅ_２Ｂ脆性的实验观察和理论分析结果相比较。

TiB_2-TiB/Fe金属陶瓷复合涂层原位合成及显微分析

利用激光熔覆工艺在中碳钢表面制备出原位自生TiB2-TiB/Fe复相金属陶瓷复合涂层,以改善常规材料表面综合使用性能.采用XRD、SEM、EDS、EPMA等手段对复合涂层进行了研究.结果表明:复合涂层主要由(Fe,C)固溶体胞状树枝晶及分布于晶间的TiB2/Fe或TiB/Fe共晶组成,部分Fe2B相也会出现在晶间.涂层成分不同时,陶瓷增强相的含量将发生变化.涂层力学性能较基体有显著提高.

金属间化合物Fe_2B在液态锌中的腐蚀机制

利用扫描电镜、电子探针以及X射线研究了Fe2B的微观组织及被液态锌腐蚀后的界面形貌及化学组成,并运用固体与分子经验电子理论(EET)建立了Fe2B的价电子结构,对腐蚀过程中的反应扩散机制进行了合理的分析.结果表明:Fe2B在液态锌中的腐蚀机制以反应扩散为主;首先液态Zn原子扩散到Fe2B固体表面,然后沿能量较高的晶界进入Fe2B基体;Zn原子在Fe2B晶格中有限固溶,引起了Fe2B晶格畸变,同时在热应力作用下,Fe2B基体产生大量裂纹,液态锌沿着裂纹扩展方向渗入;当晶格畸变达到极限时,Fe原子周围的化学键全部断裂,Fe成为"自由"原子;"自由"的Fe原子与周围的Zn原子发生反应,生成Fe-Zn化合物;化合物从基体上剥落下来,漂移到液态锌中;Fe原子成为"自由"原子需要的能量越高,材料的耐腐蚀性能越好.

Si对Fe-2.5B合金在锌液中腐蚀机制的影响

Si的加入改变了Fe-2.5B合金的微观组织,进而影响到这种合金在锌液中的耐腐蚀性能。当Si含量为2-8%wt时,Fe-2.5B-XSi是亚共晶组织,Si分布在-αFe和Fe2B相中。配制一系列由单相-αFe组成的合金,其Si含量与Fe-2.5B-XSi合金中的-αFe相中的Si含量相同,在液锌中测试这两组试样的腐蚀速率,据此可以推断出Fe2B相的腐蚀速率。结果表明,随Si含量的增加,-αFe相的腐蚀速率下降,其原因是随Si含量的增加,-αFe与锌液反应生成的块状FeSi相增多,该相对锌的扩散起阻挡作用。随Si含量增加,Fe2B相的腐蚀速率上升,原因是随Si含量的增加,Fe2B相的点阵参数、晶胞体积增加,即硅削弱Fe2B中键的结合强度,降低了Fe2B的稳定性。两相的相互作用使Fe-2.5B合金随Si含量的增加,耐腐蚀性能增强。

FeB和Fe_2B价电子结构与钢表面渗硼层硬化本质

依据EET理论,计算了FeB和Fe_2B价电子结构并分析了它们与钢渗硼层硬化的关系。研究发现:渗硼表面改性后,钢表面硬度和耐磨性提高的根本原因在于FeB和Fe_2B最强键的键合力远大于基体α-Fe最强键的键合力;FeB的硬度比Fe_2B大的微观本质在于FeB相最强键的键合力、主键络连接键的键合力和共价电子密度分别比Fe_2B的大27.12%、4.8%和3.66%;FeB相比Fe_2B脆性大的微观本质在于FeB共价键空间分布更不均匀,FeB相主键络具有较强的共价性,而Fe_2B相主键络具有较强的金属性;由于FeB相成键能力仅比Fe_2B的成键能力大0.85%,因此优先形成的Fe_2B相极易转变为FeB相,使得钢表面渗硼层的脆性增强。

原位Al_2O_3颗粒增强ADC12复合材料的制备与组织的研究

将Al粉和B2O3粉球磨并压制成预制块,然后破碎成混合粉末加入ADC12铝熔体,采用高能超声—熔体直接反应法,并在585℃保温15 min制备了Al2O3颗粒增强ADC12复合材料。用XRD、SEM及EDS分析第二相的分布、形貌以及成分,用金相显微镜分析复合材料的半固态组织。结果表明:利用Al-B2O3体系制备了原位Al2O3颗粒增强ADC12复合材料,生成的Fe2B减少了复合材料中的杂质Fe,复合材料半固态组织细小、均匀、圆整,且硬度随着加入的混合粉末的质量分数的增加而增大。加入质量分数为3%的混合粉末制备的原位Al2O3颗粒增强ADC12复合材料半固态组织细小、圆整、较均匀分布,硬度较基体的90 HV提高了25.6%。

铸态Fe_2B的耐液锌腐蚀机理研究

通过扫描电镜、X射线衍射仪研究了铸态Fe2B在500℃液锌中的腐蚀行为。发现铸态Fe2B主要发生晶间腐蚀和溶解腐蚀,腐蚀产物为Fe2B、Fe3BO6和Zn(BO2)2。其中晶间的α相是液锌腐蚀的主要路径,液锌对Fe2B晶粒发生均匀溶解腐蚀。

硼和铟掺杂对Fe_(81)Ga_(19)快淬薄带的微结构、磁致伸缩性能及磁性的影响

通过甩带快淬法制备三元合金(Fe_(0.81)Ga_(0.19))_(100-xBx)(Fe-Ga-B)和(Fe_(0.81)Ga_(0.19))_(100-x)In_x(Fe-Ga-In)薄带样品,并对Fe-Ga-B合金样品进行热处理。通过高分辨X射线衍射(HRXRD)和扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS)技术表征薄带的微观结构,利用振动样品磁强计和标准电阻应变仪测量了样品的磁性及饱和磁致伸缩系数。研究表明,有序的L1_2相降低了(Fe_(0.81)Ga_(0.19))_(98)B_2样品的磁致伸缩系数。B原子添加形成的Fe_2B相和modifiedDO_3相有利于提高Fe-Ga合金的磁致伸缩系数。但Fe_2B相的饱和磁化强度小于A_2相,饱和磁场却远大于A_2相,因此随着B含量的增加,Fe-Ga-B薄带的饱和磁化强度逐渐减小,矫顽力逐渐增加。合金中形成的非磁性富In相使得In掺杂Fe-Ga-In合金的磁致伸缩系数和饱和磁化强度均减小。非磁性富In相使晶格产生畸变,减弱了磁弹性效应,并且抑制了磁畴的运动,从而明显地减小了Fe-Ga带材样品的磁致伸缩系数以及饱和磁化强度,提高了Fe-Ga合金的矫顽力。

B_4C在铁基摩擦材料中的作用及机理

通过X射线衍射相分析、光电子谱分析及金相分析等手段，对B4C在铁基摩擦材料中的作用及机理进行了研究，结果表明，B4C在铁基摩擦材料加压烧结过程中能与铁发生反应，生成一种新相Fe2B．在摩擦磨损过程中，加入的B4C并没有直接起到摩擦组元的作用，而是通过生成的Fe2B起作用．在一般负荷工作条件下，Fe2B主要起摩擦组元的作用；在重负荷工作条件下，Fe－Fe2B共晶体起润滑组元的作用．

与Fe_2B及纯硼平衡的在铁基体中硼的固溶度公式

根据热计算和相关文献的测试数据,推导出与Fe2B平衡的在奥氏体和铁素体中硼的固溶度公式分别为:lg〔B〕γ=3.348-7 503/T,lg〔B〕a=3.235-6 692/T.同时考虑Fe2B的形成自由能而推导出与纯硼平衡的在奥氏体和铁素体中硼的平衡固溶度公式分别为:lg〔B〕γ=2.287-2 825/T,lg〔B〕a=2.874-2 785/T,它们在相关的理论研究和生产实际应用中具有重要参考价值.

高硼低碳钛氮耐磨铸造合金的试验研究

为提高金属材料的耐磨性,在普通低碳钢中加入B（2.5-4.0）%和Ti、N（0.20-0.40）%,获得了大量具有高硬度硼化物的铸造合金,并对其显微组织进行了观察和XRD分析。结果表明：铸造合金的铸态组织比较细密,由铁素体＋珠光体＋Fe2B组成,Fe2B呈连续网状沿晶界分布,铁素体呈不规则块状分布在硼化物周围,珠光体呈片层状分布在硼化物和铁素体之间;经980℃×2h＋250℃×4h淬回火热处理后,铁素体和珠光体全部转变为强韧性均好的板条马氏体组织,Fe2B局部出现断网现象,仍呈网状分布;少量Ti、N元素的加入可细化奥氏体晶粒,显著改善Fe2B韧性。经测试,热处理铸造合金硬度≥60.2 HRC,冲击韧性≥25.5 J/cm2,耐磨性相对40Gr钢提高了2.5倍。

Cr元素对熔炼Fe-B合金中Fe_2B相性能的影响

金属间化合物Fe_2B除具有金属间化合物的共性外,还具有优良的耐熔锌腐蚀性能,但是它的本质脆性阻碍了它得到进一步的应用。因此,Fe_2B的韧化是很有研究价值的。通过熔炼Fe-8.8%B-n%Cr(n=0.3,0.5,1,2,3,4,5)的方法得到Fe_2B相,并进行了耐熔锌腐蚀试验及Fe_2B相断裂韧性的测量。结果表明,Cr的含量低于2%时对其耐熔锌腐蚀性能却影响不大;当Cr添加量在0.5%～3%范围内时Fe_2B相的断裂韧性明显提高。

Mo含量对铁硼基合金烧结性能的影响

主要研究了Mo的含量对Fe-7B-Mo合金烧结性能的影响.实验结果表明:硼铁中加入Mo元素,使硼铁试样的烧结密度和硬度提高;Mo含量越多,密度和硬度越高,生成组织中脆性相Fe2B越少,细小的Mo2FeB2相越多,相应材料的强韧性越好,耐熔融锌腐蚀性越强.

耐磨高硼低碳铸造合金的研究

为提高普通碳钢的耐磨性,在低碳钢的原材料中加入3.0%~3.5%B。金相显微组织观察和XRD分析结果表明:获得的高硼低碳铸造合金铸态组织为铁素体+珠光体+Fe2B。Fe2B呈连续网状沿晶界分布,铁素体呈不规则块状分布在硼化物周围,珠光体呈片层状分布在硼化物和铁素体之间。经980℃×2 h+250℃×4 h淬回火热处理后,铁素体和珠光体全部转变为强韧性均好的板条马氏体组织,Fe2B局部出现断网现象,仍呈网状分布。铸造合金综合力学性能显著提高,经测试,其硬度≥HRC60.2,冲击韧性≥12.5 J/cm2,耐磨性相对40Gr钢提高了2.5倍,可作为优良的耐磨金属材料推广应用。

稀土镧对硼铁激光熔覆层耐磨性能影响

研究了镧对硼铁激光熔覆改性层的组织和摩擦学性能的影响。对不同La含量的熔覆层进行了摩擦磨损实 验,实验结果表明:含适量La熔覆层的耐磨性得到很大提高。在本实验条件下,La的加入量最佳值约为2%,此时 熔覆层磨损量较未加La时减少25.8%,当La加入量过多时,熔覆层耐磨性反而降低,甚至低于不加La时的耐磨 性。扫描电子显微镜显示含适量La的改性层的硼铁化合物组织明显细化且弥散分布于铸态组织中,磨斑表面硼元 素(1s电子轨道)的XPS图谱分析表明熔覆层中铁与硼主要以Fe2B相存在。

含镧Fe-B激光熔覆层的摩擦学性能研究

为研究稀土对Fe B激光熔覆层摩擦学性能的影响,采用自配Fe,B4C,硅铁稀土混合粉末在45#钢基体上进行激光熔覆实验,并在HQ 1摩擦磨损实验机上对不同稀土含量的熔覆层进行摩擦磨损实验。结果表明:含适量稀土熔覆层的耐磨性得到很大提高,在本实验条件下,硅铁稀土加入量最佳值为4%～5%,此时熔覆层耐磨性提高25.8%,当硅铁稀土加入量过多时,熔覆层耐磨性反而降低,甚至低于不加稀土时的耐磨性。通过对磨斑表面硼元素(1s电子轨道)的XPS图谱分析表明,熔覆层中铁与硼主要以Fe2B相存在。磨损表面部分镧元素被氧化,生成La2O3。

硼氮共渗技术的应用

研究了固体硼氮共渗技术的渗剂、工艺参数、共渗后的组织与性能及其在模具上的应用。通过固体硼氮共渗使模具表面获得了可靠稳定的硼氮共渗层,渗层由硼化物层(Fe2B、FeB)和过渡层组成,渗后可获得高硬度的硼化物层,渗层具有高的耐磨性、良好的耐热、耐蚀性。硼氮共渗技术应用在模具的制造上,可使模具的使用寿命大幅度提高。