盧德宏，蔣業(yè)華

構型陶瓷/鋼鐵耐磨復合材料研究進展

盧德宏，蔣業(yè)華

（昆明理工大學 材料科學與工程學院，昆明 650093）

近年來，陶瓷顆粒非均勻分布增強鋼鐵基復合材料（構型復合材料）由于具有優(yōu)異的耐磨性，成為國內外高性能耐磨材料研究和應用的熱點。對構型復合材料耐磨性的研究進行了綜述，認為在無沖擊磨料磨損工況下，構型復合材料的耐磨性顯著高于常規(guī)陶瓷顆粒均勻分布增強復合材料，其耐磨性順序按照基體排列為：高鉻鑄鐵基>合金鋼基>高錳鋼基復合材料；陶瓷/鋼鐵界面結合強，則復合材料耐磨性高；按照陶瓷顆粒排序是：WC>(TiC，ZTA)>Al2O3增強復合材料；ZTA中ZrO2含量高，則耐磨性好。在高沖擊磨料磨損工況下，構型復合材料耐磨性遠不如無沖擊工況下的耐磨性，有的甚至比基體差；合金鋼基復合材料耐磨性比高錳鋼基稍高。綜述了不同工況下構型復合材料的磨損機理，并提出了構型陶瓷/鋼鐵復合材料的研究方向。

陶瓷/鋼鐵復合材料；構型復合材料；耐磨材料；進展

礦山、建筑、冶金、電力、農業(yè)、工模具、裝備制造等各個行業(yè)，存在大量的物料破碎和粉磨工序，對耐磨材料有巨大的需求。近年來，隨著世界經濟的快速發(fā)展，對耐磨材料性能的要求越來越高，傳統金屬耐磨材料（比如高錳鋼、高鉻鑄鐵）在硬度、強韌性協同等性能方面存在不足，越來越不能滿足對高性能耐磨材料的要求。

陶瓷增強金屬基復合材料由于兼具陶瓷的高硬度和金屬基體的優(yōu)良強韌性，而且能夠根據需要進行性能的調整（可設計性），已經逐漸成為了新型高性能耐磨復合材料發(fā)展方向之一[1]。自20世紀90年代，國內外開展了不少陶瓷/鋼鐵基耐磨復合材料的研究，尤其在TiC和WC顆粒增強鋼鐵基耐磨材料方面獲得了較多應用[2—4]。21世紀初，比利時Magotteaux公司等成功開發(fā)了ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁）顆粒增強高鉻鑄鐵基復合材料立磨磨輥（Xwin），將高硬度陶瓷顆粒制備成多孔蜂窩狀陶瓷預制體，通過特殊工藝制備蜂窩陶瓷增強高鉻鑄鐵基復合材料大型立磨磨輥。經生產使用表明，該復合磨輥壽命達到高鉻鑄鐵磨輥的3倍以上，并逐漸占領國際耐磨材料高端市場。同時期，我國耐磨材料科研單位和企業(yè)也大量開展了陶瓷顆粒增強鋼鐵基耐磨復合材料的研究和開發(fā)。又經過了近10年的發(fā)展，耐磨復合材料的研究和應用有了很大進展，并在我國的水泥、電力、礦山等行業(yè)獲得了越來越廣泛的應用[5—7]。文中對這種新型構型耐磨復合材料的耐磨性研究進行綜述，以促進高性能耐磨復合材料的發(fā)展。

1 陶瓷顆粒對均勻分布增強復合材料耐磨性的影響

就陶瓷/鋼鐵基耐磨復合材料而言，WC，TiC，Al2O3，ZTA等是常用的增強陶瓷，且具有較好的耐磨性。表1[1,8—11]對比了這些陶瓷的相關性能和成本。相比于WC和TiC等碳化物陶瓷，Al2O3及ZTA的硬度和耐磨性等比較接近，但具有很大的成本優(yōu)勢，從而成為近年來構型陶瓷/鋼鐵耐磨復合材料的主要陶瓷增強相。

表1 常用耐磨復合材料的陶瓷增強相性能和成本數據

Tab.1 Properties and price of ceramics commonly applied as reinforcements of MMCs

由于構型耐磨復合材料可以看成陶瓷顆粒均勻分布的增強復合材料與基體構成的復合結構，因此其中均勻分布增強復合材料的耐磨性對構型復合材料的整體耐磨性具有重要影響，是理解構型復合材料耐磨性變化的前提。文中首先針對陶瓷顆粒對均勻分布增強復合材料耐磨性的影響進行綜述。

1.1 陶瓷顆粒種類對復合材料三體磨料磨損的影響

對于耐磨復合材料而言，決定耐磨性的因素可以從陶瓷顆粒、基體以及陶瓷顆粒在基體中的分布狀態(tài)、陶瓷/基體界面結合性能等幾個方面進行分析。另外，耐磨材料在破碎、研磨工作時主要承受的是磨料磨損工況，其中根據沖擊功的大小，又可以分為無沖擊的三體磨料磨損工況和沖擊磨料磨損工況。

從最為常見的三體磨料磨損工況開始，對比不同陶瓷顆粒增強復合材料的耐磨性。表2[12—15]對比了陶瓷顆粒均勻分布增強的高鉻鑄鐵（HCCI）基復合材料的三體磨料磨損性能?？紤]到磨損試驗條件對試驗結果影響的復雜性，不同文獻磨損試驗的結果不容易直接對比，為此文中采用復合材料耐磨性與基體金屬相比的倍數（基體磨損量/復合材料磨損量）作為主要對比指標。從表2看出，WC增強復合材料耐磨性最高，其次是ZTA顆粒，TiC稍弱（但與TiC顆粒太細小有關），最差是Al2O3。這些結果基本表明，陶瓷顆粒硬度對復合材料三體磨料磨損影響很大，其中，純Al2O3和ZTA增強復合材料磨損的對比表明，純Al2O3盡管硬度比ZTA高，但韌性較低，其復合材料的耐磨性反而較ZTA增強復合材料低，這說明陶瓷顆粒的韌性對復合材料的耐磨性也很重要。

1.2 陶瓷顆粒體積分數對復合材料磨料磨損的影響

不同ZTA體積分數對ZTA/高鉻鑄鐵復合材料耐磨性的影響見表3，隨著復合材料中陶瓷顆粒體積分數的提高，復合材料的耐磨性都是先升高后降低，存在一個陶瓷顆粒體積分數的最佳值。一般認為，這是由于增強相體積分數較大會增大復合材料磨損時的開裂趨勢。LI Ping等[16]曾報道過，ZTA體積分數為40%時，復合材料還能夠獲得3.9倍高的耐磨性，可能與復合材料中強的ZTA/鐵界面結合有關。

表2 不同陶瓷顆粒增強高鉻鑄鐵基復合材料

Tab.2 MMCs of HCCI reinforced by different ceramic particulates

表3 ZTA體積分數對ZTA/高鉻鑄鐵復合材料耐磨性的影響

Tab.3 Influence of ZTA volume fraction on wear of ZTA/HCCI composites

1.3 陶瓷/基體界面對復合材料耐磨性的影響

目前除了少數研究外，大部分ZTA/鐵基復合材料的界面結合是弱結合，以機械結合為主。采用高溫液相燒結技術，或者通過包覆陶瓷預制體的高溫燒結，結合鑄造浸滲技術，制備的復合材料具有較強的界面結合。界面結合對復合材料磨料磨損耐磨性的影響見表4，其中，ZHENG Bao-chao等[17]盡管加入了Ti，但形成的界面只有0.5～3.0 μm厚，相對LI Ping等[16]通過1500 ℃高溫燒結形成的20～30 μm合金反應層，其界面結合還是較弱，而且磨損載荷較高，因此界面結合相對較弱，因此，表4表明，在無沖擊的二體、三體磨料磨損中，陶瓷/鐵界面結合強，對復合材料耐磨性提高作用較大。

1.4 陶瓷/鋼鐵復合材料的沖擊磨料磨損性能

耐磨材料很多是在中高沖擊工況下進行服役的，比如各種錘頭、鄂板、襯板等。傳統使用的主要耐磨材料是高錳鋼（HMS）。盡管高鉻鑄鐵沖擊韌性較低（通常低于10 J/cm2），但在小型耐磨件、低沖擊工況下，也有應用，因此，也有一些文獻進行了陶瓷顆粒/高錳鋼、高鉻鑄鐵基復合材料沖擊磨料磨損性能的研究。一些這方面的研究結果見表5。從表5可知，對高錳鋼基復合材料而言，其耐磨性既可能比高錳鋼高（高得不多），又可能不如高錳鋼[18—19]，尤其是在高沖擊功情況下，耐磨性比高錳鋼差[18]，而高鉻鑄鐵基復合材料耐磨性一般比基體高[20—21]。

表4 界面改性對ZTA/HCCI復合材料耐磨性的影響

Tab.4 Influence of interface modification on wear of ZTA/HCCI composites

表5 陶瓷/鋼鐵復合材料的沖擊磨料磨損性能

Tab.5 Impact abrasive wear of ceramic/iron composites

2 構型陶瓷/鋼鐵復合材料的耐磨性

前述文獻都是針對陶瓷顆粒均勻分布的增強鋼鐵基復合材料進行的研究，但是均勻分布增強復合材料在應用方面并沒有獲得較大的突破。近年來構型復合材料的發(fā)展在陶瓷增強鋼鐵基復合材料方面取得了較大突破，在立磨磨輥等大型耐磨產品上獲得了廣泛應用，因而成為近期國內外耐磨復合材料研究的熱點。

2.1 構型高鉻鑄鐵基復合材料的耐磨性

當前構型耐磨復合材料的體系主要是ZTA增強高鉻鑄鐵和高錳鋼基復合材料。表6[14,22—26]表明了部分以高鉻鑄鐵為基體的蜂窩狀陶瓷增強復合材料的磨料磨損研究結果?？梢?，蜂窩狀構型復合材料的三體磨料磨損耐磨性都比高鉻鑄鐵基體提高3.5倍以上，甚至達到12.6倍，尤其在磨料顆粒較大、壓力較高的惡劣工況下，比基體耐磨性提高得更明顯。

如前所述，表2—4中，ZTA顆粒均勻分布增強復合材料的磨料磨損耐磨性基本是基體的2倍，最高的是3.9倍。表6與表2—4對比表明，同樣是ZTA/ 高鉻鑄鐵復合材料，在ZTA顆粒的總體積分數更低的情況下，蜂窩狀構型復合材料三體磨料磨損的耐磨性顯著高于ZTA顆粒均勻分布的增強復合材料。也就是說，構型結構對提高復合材料的耐磨性起到極大作用。

表6 蜂窩狀構型ZTA/高鉻鑄鐵復合材料的磨料磨損耐磨性

Tab.6 Abrasive wear of ZTA/HCCI composites with honeycomb structures

構型高鉻鑄鐵基復合材料的熱處理狀態(tài)對耐磨性有重要影響。周謨金等[22]研究顯示，ZTA/HCCI復合材料經930 ℃淬火和不同溫度回火后，耐磨性隨著回火溫度升高而降低，在230 ℃回火后耐磨性最高，是基體的9.8倍，比鑄態(tài)時有明顯提高。

除了ZTA陶瓷顆粒外，鄭開宏等[27]研究了0.5～1.5 mm的WC顆粒增強蜂窩狀Cr26高鉻鑄鐵基復合材料的耐磨性，其三體磨料磨損性能為基體的2.5倍，相比表6的ZTA/高鉻鑄鐵復合材料，耐磨性更低。這與表2中顆粒均勻分布增強高鉻鑄鐵復合材料的研究結果相比，規(guī)律是相反的，因此這方面有待進一步研究確認。

2.2 構型高錳鋼基復合材料的耐磨性

構型高錳鋼基復合材料的磨料磨損研究相對較少。王楠等[28]系統研究了蜂窩構型尺寸對ZTAp/高錳鋼基復合材料的耐磨性，ZTA(ZA25)/高錳鋼的陶瓷粒度為ZTA粒度80～100目，復合區(qū)體積分數為36%～ 100%，復合區(qū)中陶瓷體積分數為20%，顆?？傮w積分數為7%～20%，基體為高錳鋼ZGMn13Cr2，制備技術為預制體高溫燒結+鑄造浸滲（鑄態(tài)）。當采用MMH-5型三體磨損磨料試驗，150～250 μm石英磨料，壓力為29.4 N時，耐磨性是基體的1.3～1.6倍，且隨著復合區(qū)體積分數增加，耐磨性升高[28]；當采用MLD-10沖擊磨料磨損（1.5 J），石英磨料時，耐磨性是基體的0.6～1.05倍，且隨著復合區(qū)體積分數的增加，呈V形變化，復合區(qū)面積比約為0.3時，耐磨性最高[28]。結果表明，隨著磨損表面中復合區(qū)面積比逐漸升高，復合材料的三體磨料磨損耐磨性呈升高的趨勢，且都高于高錳鋼基體（基體的1.3～1.6倍）。當復合區(qū)占比72%時，復合材料的耐磨性最好，是高錳鋼的1.6倍。但是，在沖擊磨料磨損（1.5 J）下，大部分復合材料的耐磨性都比高錳鋼差，只有復合區(qū)面積比約為30%時，復合材料耐磨性比高錳鋼略好，是高錳鋼的1.05倍。

構型高錳鋼復合材料的無沖擊磨料磨損耐磨性比高錳鋼稍高，而其沖擊磨料磨損耐磨性基本與基體相當，或者更差。這應當是由于陶瓷顆粒的存在，影響了高錳鋼基體的加工硬化[29]，同時，陶瓷顆粒與基體的界面結合基本屬于機械結合，導致陶瓷顆粒容易脫落，無法對基體進行保護。

2.3 構型合金鋼基復合材料耐磨性

在傳統耐磨材料中，除了高硬度但脆性大的高鉻鑄鐵、低硬度高韌性的高錳鋼外，合金鋼是兼具硬度和韌性而且調節(jié)范圍廣的另外一大類，因此，合金鋼作為構型耐磨復合材料基體也是今后研究的方向之一。

部分ZTA/合金鋼構型耐磨復合材料的研究結果見表7[30—33]。可以看出，以強韌性兼具的合金鋼為基體的耐磨構型復合材料，其三體磨料磨損的耐磨性都比基體高，約為基體的1.29～4.2倍。與高鉻鑄鐵基體的構型復合材料相比，合金鋼基構型復合材料的三體磨料磨損耐磨性明顯較低，而與高錳鋼為基體的構型復合材料相比，合金鋼基復合材料的沖擊磨料磨損耐磨性略高。結合三類基體合金的硬度分析，表明隨著基體硬度提高，構型復合材料耐磨性也提高。

在沖擊磨料磨損工況下，合金鋼基復合材料耐磨性一般比基體高，但提高程度（是基體的倍數）比三體磨料磨損工況相比要低，但是有的比基體差。與2.2節(jié)介紹的高錳鋼基復合材料相比，合金鋼基復合材料耐磨性稍高。這也符合基體硬度高、耐磨性好的規(guī)律。

3 陶瓷/鋼鐵復合材料的磨損機理

從前述復合材料耐磨性研究結果看，無沖擊或低沖擊磨料磨損工況下，以高硬度的高鉻鑄鐵為基體的復合材料，其耐磨性提高顯著；高沖擊磨料磨損工況下，以硬度低、需要加工硬化的高錳鋼為基體的復合材料，其耐磨性提高不明顯，因此，對于不同的工況和不同的復合材料，應當具有不同的磨損機理。

Li等[34]提出了陶瓷顆粒均勻分布增強鋼鐵基復合材料的磨料磨損模型，如圖1所示。在無沖擊磨料磨損時，表面基體首先被磨料磨損下凹，陶瓷顆粒因磨損慢而凸起，從而沿磨損方向保護相鄰的下凹基體，使其減慢或停止磨損，這稱為陰影效應。同時，陶瓷顆粒相鄰的基體對其有支撐，防止脫落，這稱為支撐效應。在陶瓷顆粒和基體的陰影效應和支撐效應的共同作用下，復合材料體現出比金屬基體更耐磨的性能。

對構型復合材料而言，其磨損表面由基體區(qū)和復合區(qū)有序分布組成，其中復合區(qū)為常規(guī)陶瓷顆粒均勻分布增強金屬基復合材料，如圖2所示。在無沖擊磨料磨損時，表面復合區(qū)的磨損機理與圖1中的常規(guī)復合材料相同。同時，宏觀上，表面基體區(qū)被優(yōu)先磨損下凹，而復合區(qū)因磨損慢而凸起，從而對相鄰的下凹基體區(qū)形成一定保護作用，使其減慢磨損，這稱為宏觀陰影效應。相應地，復合區(qū)內陶瓷顆粒對基體的保護作用稱為微觀陰影效應。另外，基體區(qū)也可以阻止因復合區(qū)中的裂紋嚴重擴展導致的復合區(qū)大面積剝落。正是由于構型復合材料具有宏微觀雙陰影效應，以及基體抑制開裂的作用，因此構型復合材料體現出比常規(guī)陶瓷顆粒均勻分布增強復合材料更耐磨的性能。

表7 蜂窩狀構型ZTA/合金鋼復合材料的耐磨性

Tab.7 Wear of ZTA/alloyed steel composites with honeycomb structures

圖1 陶瓷顆粒均勻分布增強復合材料無沖擊磨料磨損機理[34]

圖2 構型復合材料無沖擊磨料磨損機理

在沖擊磨料磨損工況下，如圖3所示，構型復合材料承受的磨損包括兩種，一是磨料沿磨損方向的犁削，二是磨料顆粒強烈的垂直擠壓。在磨料犁削的作用下，陶瓷顆粒以及復合區(qū)的雙陰影效應仍然發(fā)揮作用，但是，磨料的高應力擠壓會導致陶瓷/基體界面開裂，以及陶瓷顆粒破碎。這都會導致陶瓷顆粒的脫落，復合材料磨損升高，因此，在沖擊磨料磨損工況下，構型復合材料的耐磨性比無沖擊時低很多。

圖3 構型復合材料沖擊磨料磨損機理[32]

4 結語和展望

根據目前的文獻研究，關于構型陶瓷/鋼鐵基復合材料磨損性能，有以下幾點規(guī)律。

1）在無沖擊的磨料磨損工況下，構型復合材料的耐磨性顯著高于陶瓷顆粒均勻分布的增強復合材料，復合材料耐磨性與基體硬度相關，高鉻鑄鐵基復合材料耐磨性高于合金鋼基復合材料，又高于高錳鋼基復合材料。

2）在高沖擊的磨料磨損工況下，合金鋼基復合材料耐磨性比基體高，但提高程度比磨料磨損工況時低，甚至有的比基體還差，合金鋼基復合材料耐磨性比高錳鋼基復合材料稍高。

3）結合磨損機理分析，在無沖擊磨料磨損工況下，構型陶瓷/鋼鐵復合材料耐磨性的提高取決于陶瓷顆粒的硬度和韌性的綜合性能、基體硬度以及陶瓷/基體的界面結合強度；在沖擊磨料磨損工況下，構型陶瓷/鋼鐵復合材料耐磨性的提高主要取決于陶瓷顆粒韌性、基體硬度以及陶瓷/基體的界面結合強度。

基于上述分析，基于陶瓷/鋼鐵復合材料在耐磨材料領域的巨大性能優(yōu)勢和應用潛力，應當進一步大力開展耐磨復合材料的磨損性能和應用研究。筆者認為，陶瓷顆粒增強鋼鐵基耐磨復合材料的研發(fā)方向有：發(fā)展更多增強陶瓷、空間結構的構型復合材料，研究其組分材料、空間構型、力學性能與耐磨性的關系；研究構型耐磨復合材料在更多耐磨產品上的應用基礎，比如襯板、鄂板等；研究在高沖擊、高應力作用下的高耐磨構型復合材料；進一步研發(fā)構型耐磨復合材料的制備新技術和新工藝，以提高陶瓷/鋼鐵界面結合強度，降低復合材料的制備成本，并更好地滿足不同大小、形狀的耐磨產品的制備需要。

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Research Progress of Wear Performance of Ceramic Particulates Reinforced Iron Matrix Architecture Composites

LU De-hong, JIANG Ye-hua

(Faculty of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

In recent years, architecture composites of ceramic particulates reinforced iron matrix become the hotspot of researches and applications of wear resistant materials due to the superior wear performance. The paper reviews and analyzes the wear performance of the architecture composites according to the literatures. The results indicate that, under abrasive wear conditions without impact, the wear resistance of the architecture composites ranks with different matrices as fallow: high chromium cast iron (HCCI) based is higher than alloyed steel based, further higher than high manganese steel (HMS) based composites; it ranks with different ceramics as fallow: WC reinforced is higher than TiC and ZTA, further higher than Al2O3reinforced composite; the high content of ZrO2in ZTA is beneficial. Under abrasive wear conditions with high impact, the wear resistance of the architecture composites is much less than that without impact, even worse than the matrices; alloyed steel based is higher in wear resistance than HMS based composites. The wear mechanisms of the architecture composites are reviewed. And proposals on the research directions of the composites as wear resistant materials are also provided.

ceramic particulates reinforced iron matrix composites; architecture composites; wear resistant materials; progress

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.004

TB333

A

1674-6457(2021)03-0040-09

2021-02-24

國家自然科學基金（51865024）

盧德宏（1968—），男，博士，教授，主要研究方向為金屬基復合材料、耐磨材料。