焦玉鳳， 夏春艷， 金大明

(1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007;2.佳木斯市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所，黑龍江 佳木斯154003)

0 引 言

鑄造與自蔓延高溫合成反應(yīng)(SHS)的基本原理是將增強(qiáng)相的組分原料與金屬粉末按一定比例充分混合，壓坯成預(yù)制塊，用高溫熔融的鋼水引燃預(yù)制塊，使組分之間發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，放出的熱量開始蔓延，引起粉末鄰近部分繼續(xù)燃燒反應(yīng)，直至完成，最終制得復(fù)合材料［1］. 通過高溫自蔓延合成反應(yīng)制備TiC-Al2O3增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的最大優(yōu)點(diǎn)是:原位自生的增強(qiáng)相與基體材料具有良好的界面結(jié)合性能和良好的浸潤(rùn)性能以及增強(qiáng)相的均勻彌散分布特征，制備成本低廉，是提高復(fù)合材料強(qiáng)韌性及耐磨性的有效途徑［2］. 因此本文采用鑄造與自蔓延高溫合成反應(yīng)制備原位自生TiC -Al2O3增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 復(fù)合材料的制備

本實(shí)驗(yàn)所選用的原材料、原料純度、粒度及產(chǎn)地見表1.

通過熱力學(xué)原理分析，選擇Ti - C - Al -Fe2O3反應(yīng)體系，以4:1:1:3 比例對(duì)粉末進(jìn)行配比，配比后的粉末與鋼球一同放入密封良好的不銹鋼球磨罐中，在QM-1SP4 型球磨機(jī)上以200r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行3 小時(shí)的混合球磨.球磨后取適量粉末置于DY-20 臺(tái)式壓片機(jī)上進(jìn)行壓制，預(yù)制塊直徑為20mm，將制出的預(yù)制塊在101A-2 型電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥、預(yù)熱，處理后的預(yù)制塊放置在澆注鋼液砂型中陶瓷顆粒增強(qiáng)的部位，用10Kg 中頻感應(yīng)爐熔煉鋼液.在1600℃鋼液成分均勻后，將鋼液澆入砂型中，利用高溫鋼液的熱量直接引燃預(yù)制塊的自蔓延高溫合成反應(yīng)，原位生成Al2O3，TiC顆粒.

2 磨損試驗(yàn)

磨損試驗(yàn)機(jī)采用國(guó)產(chǎn)ML-100 干式銷盤磨料磨損機(jī)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:試樣為10mm×10mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，選用粒度為120μm 的剛玉砂布固定在實(shí)驗(yàn)圓盤上，分別加以7N、14N 和21N 的載荷，磨損行程為200 m.先將標(biāo)準(zhǔn)試樣表面預(yù)磨成一個(gè)平面，用德國(guó)賽多利斯(Sartorius Genius ME215P)十萬(wàn)分之一電子天平測(cè)量稱量試樣的質(zhì)量，然后換一張新砂布待圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)200m 后停機(jī)，稱量磨損前后質(zhì)量差即為磨損失重量. 由于本研究制備的是TiC、Al2O3局部增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料，不是整體增強(qiáng)的，為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，因此用試樣的真實(shí)失重量來(lái)考查試樣的相對(duì)耐磨性的問題.相對(duì)耐磨性能評(píng)定常使用如下公式［3］:

相對(duì)耐磨性

圖1 添加劑CeO2 含量不同對(duì)增強(qiáng)區(qū)磨損失重的影響(21N 載荷)

圖2 添加劑CeO2 含量不同的復(fù)合材料磨損形貌圖(21N 載荷)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 稀土CeO2 對(duì)耐磨性的影響

圖1 是CeO2含量對(duì)TiC 和Al2O3局部增強(qiáng)鑄造鋼基復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)磨損后的失重量曲線圖，圖2 是增強(qiáng)區(qū)磨損后的形貌圖.

從圖1 中可以看出，隨著CeO2含量的增加，磨損失重量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，增強(qiáng)區(qū)耐磨性增加.CeO2含量0wt.%時(shí)，失重量為11.6mg，隨著CeO2含量增加，失重量也隨之減小，失重量為10.9mg，增強(qiáng)區(qū)的相對(duì)耐磨性緩慢上升，由8.35 上升到8.42.當(dāng)CeO2的含量達(dá)到0.8wt.%時(shí)，失重量達(dá)到最小值，最小失重量為9.5mg，相對(duì)耐磨性為10.2，達(dá)到最大值. 但是，當(dāng)CeO2含量繼續(xù)升高為1.2wt.%時(shí)，磨損失重量有小幅的上升，失重量為9.8mg，相對(duì)耐磨性為9.89.CeO2含量不同對(duì)磨損失

圖3 載荷不同對(duì)基體和增強(qiáng)區(qū)磨損失重的影響

圖4 不同載荷下Q235 鋼基體和增強(qiáng)區(qū)的磨損后形貌圖

重量的影響規(guī)律可以從以下幾個(gè)方面來(lái)分析:由于稀土化合物CeO2為高熔點(diǎn)物質(zhì)，成為結(jié)晶晶核，有效細(xì)化晶粒，提高形核率，形成的細(xì)小化合物起到彌散強(qiáng)化的作用，細(xì)小的晶粒減少位錯(cuò)塞積數(shù)量，降低應(yīng)力集中，減少裂紋擴(kuò)展的幾率，同時(shí)晶界的增多也增加裂紋擴(kuò)展的阻力，使磨損能力顯著提高［4］;另一方面CeO2的原子半徑較大，在制備過程中微溶入固溶體中，產(chǎn)生晶格畸變進(jìn)而起到固溶強(qiáng)化的作用;稀土還具有凈化作用，能夠減少鑄件的氣孔和夾雜，提高致密性，進(jìn)而提高耐磨性;在CeO2加入量為0.8wt.%時(shí)，增強(qiáng)區(qū)的顯微組織明顯細(xì)化，提高了強(qiáng)韌性，這也是材料獲得高耐磨性的基礎(chǔ).但是當(dāng)CeO2過量時(shí)，一方面由于CeO2易團(tuán)聚的特性，另一方面由于過量添加增大夾雜物的數(shù)量，在晶界上偏析，而且氧化稀土易吸潮，使增強(qiáng)區(qū)空洞增多，致密度下降，降低顆粒間結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致耐磨性下降.

3.2 載荷不同對(duì)耐磨性的影響

在研究同一材料載荷不同對(duì)耐磨性的影響時(shí)，預(yù)制塊中Ti-C-Al-Fe2O3各元素的質(zhì)量配比為4:1:1.3:3，添加劑CeO2含量為體系元素總質(zhì)量的0. 8wt.%，預(yù)制塊緊實(shí)率為60%. 選用粒度為120μm 的剛玉砂布固定在實(shí)驗(yàn)圓盤上，載荷分別為7N、14N 和21N，磨損行程為200m.圖3 是載荷不同對(duì)Q235 鋼基體和增強(qiáng)區(qū)磨損失重曲線圖.從圖中可以看出，基體隨著載荷的增加，磨損失重量呈現(xiàn)急劇上升的趨勢(shì). 基體從載荷7N 增加到21N時(shí)，失重量從36.1mg 快速增加到96.9mg. 從增強(qiáng)區(qū)磨損失重曲線可以看到，載荷為7N 時(shí)，磨損失重量為5.1mg，相對(duì)耐磨性為7.08，載荷進(jìn)一步增加為14N 時(shí)，磨損失重量為6.2mg，此時(shí)的相對(duì)耐磨性增加到9.10，當(dāng)載荷繼續(xù)增大到最大值21N時(shí)，增強(qiáng)區(qū)的失重量也隨之達(dá)到最大值，最大磨損失重量為9.5mg，這時(shí)基體在同一載荷下的失重量也達(dá)到了最大，同樣載荷情況下，增強(qiáng)區(qū)的磨損失重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基體磨損失重量，所以增強(qiáng)區(qū)的相對(duì)耐磨性達(dá)到了最大值，相對(duì)耐磨性為10.2.

圖3 為不同載荷下基體和增強(qiáng)區(qū)磨損后的形貌圖.從圖中看到產(chǎn)生“犁溝”是基體在磨損過程中的主要失效形式，為“犁削”磨損.基體由于缺少TiC、Al2O3陶瓷顆粒的支撐和保護(hù)，在同樣的磨粒粒度條件下，磨粒刺入(壓入)基體的深度隨載荷的加大而變大，增加磨損失重量.隨著載荷的加大，犁溝相對(duì)寬而深，磨損失重量隨之增大.圖3(b)、(d)和(f)是增強(qiáng)區(qū)在不同載荷下的磨損形貌圖.由于TiC、Al2O3增強(qiáng)顆粒的存在，磨損的過程中會(huì)有效抵御Al2O3磨料刺入(壓入)的深度，因而“犁溝”變得淺而窄，同時(shí)陶瓷顆粒對(duì)Al2O3磨料的顯微切削作用也直到了阻礙作用，磨損失重量減少，表明TiC、Al2O3陶瓷顆粒可以有效的抵抗磨粒侵入，并承擔(dān)載荷進(jìn)而強(qiáng)化基體.

從增強(qiáng)區(qū)的顯微組織角度看，磨損表面是由基體材料和TiC、Al2O3陶瓷顆粒組成，由于大量陶瓷顆粒的存在，極大的減少了基體與Al2O3磨料的接觸面積，當(dāng)磨料作用在TiC，Al2O3表面時(shí)，磨料很難刺入TiC，Al2O3之中，TiC，Al2O3陶瓷顆粒反而會(huì)鈍化Al2O3磨料尖角，降低了磨料刺入材料的深度，復(fù)合材料的磨損失重量減少，耐磨性提高.結(jié)合圖3 磨損失重圖綜合分析:在低載荷下復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)耐磨性優(yōu)于基體;載荷逐步增加，增強(qiáng)區(qū)的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體，分析原因如下:增強(qiáng)區(qū)原位自生TiC 和Al2O3顆粒增強(qiáng)了材料的硬度，進(jìn)而抑制了材料的微切削過程，同時(shí)基體中的延性相Fe 顆粒彌散分布，吸收了Al2O3磨料在磨損時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，阻止了裂紋在脆性硬質(zhì)陶瓷相中的繼續(xù)擴(kuò)展;

當(dāng)位錯(cuò)遇到整齊排列的質(zhì)點(diǎn)時(shí)，位錯(cuò)會(huì)圍繞質(zhì)點(diǎn)有所彎曲從而延長(zhǎng)位錯(cuò)線.因位錯(cuò)的能量與其長(zhǎng)度相關(guān)，延長(zhǎng)位錯(cuò)線必然要增加額外應(yīng)力，要讓位錯(cuò)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，需要逐步提高外加應(yīng)力［5］. 隨著TiC和Al2O3顆粒周圍增加的位錯(cuò)，相應(yīng)增加晶格畸變能，從而使材料抵抗變形的能力得到加強(qiáng).故鑄造/SHS 制備TiC，Al2O3增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)具有較高的抗耐磨性能.

4 小 結(jié)

(1)選取Ti -C -Al -Fe2O3體系采用鑄造/SHS 兩種工藝相結(jié)合，成功制備原位自生TiC，Al2O3兩種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料.

(2)稀土CeO2加入量從0wt.% 增加到1.2wt.%時(shí)，當(dāng)含量為0. 8wt.% 時(shí)，相對(duì)耐磨性為10.2，達(dá)到最大值;

(3)同一材料在載荷不同時(shí)，隨著載荷從7N增到21N 時(shí)，相對(duì)耐磨性也增加，載荷為21N 時(shí)，相對(duì)耐磨性達(dá)到10.2.

［1］ 焦玉鳳，金大明. 鑄造/SHS 法制備TiC -Al2O3鋼基表面復(fù)合層的研究［J］. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，30(3):387 -389.

［2］ 趙玉謙.TiC 顆粒局部增強(qiáng)鑄造鋼基復(fù)合材料的制備［D］.吉林:吉林大學(xué)，2005，12.

［3］ Lakshmi S，Lu L，Gupta M. In Situ Preparation of TiB2Rein Forced A1 Based Composites［J］.1998，20(13):206 -209.

［4］ Galgali R K，Chakrabarti A K，Ray H S.Abrasive Wear Characteristics of Cast Tic Reinforced Steel Composites［J］. 1998，26(5):367 -370.

［5］ 寧海霞. WC 顆粒增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的制備及耐磨性研究［J］.鑄造技術(shù)，2009，30(4):503 -505.