張長濤,謝敬佩,盧洪波,黃先波,王文焱,王愛琴

(1.河南科技大學材料科學與工程學院,河南 洛陽 471003;2.河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室,河南 洛陽 471003;3.鄭州鼎盛工程技術有限公司,河南 鄭州 450000)

金屬陶瓷-錳鋼復合材料的制備及磨損機理＊

張長濤1,2,謝敬佩1,2,盧洪波3,黃先波3,王文焱1,2,王愛琴1,2

(1.河南科技大學材料科學與工程學院,河南 洛陽 471003;2.河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室,河南 洛陽 471003;3.鄭州鼎盛工程技術有限公司,河南 鄭州 450000)

通過掃描電鏡對金屬陶瓷-錳鋼復合材料的組織、結合情況和磨損形貌進行了研究,并探討了復合材料的結合和磨損機理.實驗結果表明:燒結金屬陶瓷和錳鋼的結合為冶金結合;金屬陶瓷磨損形貌為少量的犁溝.

復合材料;冶金結合;磨損機理

高錳鋼作為耐磨材料,廣泛應用于冶金、礦山、建材及鐵路等機械裝備中[1-5].本文采用金屬陶瓷增強高錳鋼基體,獲得了耐磨性能較好的高錳鋼-金屬陶瓷復合材料.

1 實驗材料與方法

基體材料為M n13,化學成分列于表1,采用500 kg中頻感應電爐熔煉,熔煉好后,將鋼水澆入預先放有硬質合金塊的鑄型中,在母液強烈的熱作用下,金屬陶瓷塊與母液接觸的界面上在一定時間內處于高溫狀態(tài)并發(fā)生元素的相互擴散,冷凝后,金屬陶瓷塊與母材結合為一體.

將復合材料在SX-4-12型高溫箱式電爐中進行熱處理,1050℃,保溫4 h,然后進行350℃回火[6-8].

表1 高錳鋼和金屬陶瓷成分Table 1 Composition of highmanganese steel andmetal ceramicsw/%

2 實驗結果及分析

2.1 復合材料的組織

復合材料的組織形貌如圖1所示.由圖1(a)可見,金屬陶瓷的組織分布均勻,深灰色的硬質顆粒大小均勻,沒有出現(xiàn)明顯的團聚;由圖1(b)可見,高錳鋼與金屬陶瓷的結合處看不到任何結合縫隙,說明兩種材質結合得很好,靠近金屬陶瓷部位的基體也無微裂紋;由圖1(c)可見,高錳鋼基體的晶粒不粗大,大小相對均勻,碳化物呈細小的彌散分布,這對提高基體的耐磨性有利.

2.2 磨損形貌及機理

圖2是復合材料磨損后的形貌.由圖2(a)可見,高錳鋼基體的磨損主要是以較深、較寬的犁溝為主,這是由于高錳鋼較軟,初始階段,在硬磨粒的切削作用下產生了犁溝.但在硬磨粒的持續(xù)作用下,高錳鋼基體會產生加工硬化,阻礙了材料的磨損.圖2(b)是基體和金屬陶瓷結合部位的磨損形貌,由圖2(b)可見,基體上的犁溝穿過了結合處,在過渡到金屬陶瓷體上面時,犁溝變淺,長度變短,數(shù)量變少.這是由于金屬陶瓷具有較高的硬度,能夠抵抗硬磨粒的擠壓和磨損.由圖2(c)可見,金屬陶瓷上的磨損以淺、短的犁溝和鑿削磨損為主,由于硬質相能夠抵抗磨粒的磨損,增強了材料的耐磨性.

圖1 組織圖片F(xiàn)ig.1 Images of the microstructure

圖2 復合材料的磨損形貌Fig.2 Wear morphology of composite

2.3 結合情況和結合機理

圖3為高錳鋼與金屬陶瓷結合處的形貌.從圖3(a)可見,高錳鋼與金屬陶瓷的結合處呈犬牙交錯狀,結合緊密,沒有空隙;靠近基體處的金屬陶瓷硬質相的分布較疏,有部分高錳鋼在高溫的作用下與被熔化的金屬陶瓷結合并嵌入到金屬陶瓷中.這是由于高溫的高錳鋼液體將部分金屬陶瓷熔化,然后重新結晶.從圖3(b)中可以看出,在高錳鋼和金屬陶瓷結合處的中間有一斷續(xù)的、不同于兩側組織特征的微區(qū),該區(qū)域的范圍較小,只有幾微米厚,這說明高錳鋼與金屬陶瓷的結合為冶金結合.

圖3 高錳鋼與金屬陶瓷的結合情況Fig.3 The combination of high manganese steel and metal ceram ics

2.4 碳化物的類型

圖4是采用美國EDAX公司生產的Falcon型能譜儀對沿晶界分布的碳化物進行分析的能譜圖.由圖4可知,沿晶界分布的塊狀碳化物為Cr,M n和V的復合碳化物.經熱處理后的高錳鋼中的碳化物主要有兩類:一是在水韌處理過程中沒有固溶進奧氏體中的碳化物;二是在彌散強化過程中,從奧氏體中析出的碳化物.網狀沿晶界分布的碳化物會減弱晶粒之間的結合強度,不利于材料性能的提高.

圖4 碳化物 EDS分析結果Fig.4 EDS analysis results of carbide

3 結 論

在高溫作用下,高錳鋼基體與金屬陶瓷的結合為冶金結合;高錳鋼基體的磨損形貌為較深的犁溝,而金屬陶瓷為少量的較淺犁溝和疲勞磨損,結合區(qū)域的犁溝在由基體過渡到金屬陶瓷上時由深變淺;沿晶界分布的塊狀碳化物類型為Cr,M n和V的復合碳化物.

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Study on the preparation and abrasion mechan ism of metal ceram ic-manganese steel composite

ZHANGChang-tao1,2,XIE Jing-pei1,2,LU Hong-bo3,HUANG Xian-bo3,WANGWen-yan1,2,WANG Ai-qin1,2
(1.College of M aterials Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.Henan Key Laboratory of A dvanced N on-ferrous M eta ls,L uoyang 471003,China;3.Zhengzhou D ingsheng Engineering Technology Co.,L td.Zhengzhou 450000,China)

The m icrostructure and w ear mo rphology of metal ceramic-manganese steel composite w ere researched by SEM,and the com bination and w earmechanism of compositematerialswere studied in this paper.The experiment results show that the connection of sintered metal ceramics and manganese steel is metallurgical bond,and the wear morphology of metal ceramics show s less amount of p lough groove.

composite materials;metallurgical bond;wear mechanism

1673-9981(2011)01-0021-03

TF741.7;TH117.1

A

2010-11-04

河南省杰出人才創(chuàng)新基金資助項目(0621000600);河南科技大學科研基金(2006ZY053)

張長濤(1984—),男,河南周口人,碩士研究生.