納米TiN增強(qiáng)導(dǎo)衛(wèi)板鑄滲層的組織研究

謝敬佩，郭 正，邵星海，王文焱，李 炎

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003;2.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州450007)

0 前言

導(dǎo)衛(wèi)板是傳輸軋件的關(guān)鍵裝置，主要用于軋件的傳導(dǎo)。導(dǎo)衛(wèi)板工作時(shí)與滑動(dòng)的高溫軋件不斷接觸摩擦而產(chǎn)生磨損，雖然有冷卻水強(qiáng)制降溫，但是導(dǎo)衛(wèi)板工作面的溫度仍能達(dá)到數(shù)百度［1－2］，因此，導(dǎo)衛(wèi)板應(yīng)具有良好的耐高溫耐磨損性能。20世紀(jì)80年代末，隨著高速線材軋機(jī)的引進(jìn)，高鉻鑄鐵導(dǎo)衛(wèi)板被研發(fā)出來(lái)，雖然耐磨性能得到了明顯的提高，但仍不能滿足生產(chǎn)需要，而且高鉻鑄鐵導(dǎo)衛(wèi)板存在脆性大以及熱疲勞抗力差等不足，使用中易出現(xiàn)剝落和脆裂。進(jìn)一步研究適合于制造導(dǎo)衛(wèi)板的新型耐磨材料是軋鋼工業(yè)亟需解決的重要問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高導(dǎo)衛(wèi)板表面合金材料的耐磨性能，國(guó)內(nèi)外科研工作者開(kāi)始研究了激冷鑄鐵表面噴涂、低碳馬氏體高強(qiáng)度耐磨合金、硬質(zhì)合金彌散強(qiáng)化高合金鋼、硬質(zhì)合金強(qiáng)化高鉻鑄鐵等材料［3－6］。本文采用普通砂型鑄滲法，制備出經(jīng)納米TiN顆粒細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的高碳鉻滲層，并研究了加入不同含量納米TiN對(duì)其顯微組織的影響和納米顆粒的強(qiáng)化機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

使用自制的合金粉末作為鑄滲材料(主要成分是高碳鉻鐵，加入適量的Ni粉以提高淬透性)，加入不同含量的納米TiN粉末，在拌料機(jī)上充分混勻后加入適量的酚醛樹(shù)脂、硼砂、酒精等，配制成納米TiN粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%的鑄滲劑涂層。

將鑄滲劑涂層編號(hào)后分別涂于砂型內(nèi)壁，點(diǎn)燃烘干后用1 600℃的ZG35鋼液澆鑄成型。線切割加工成 10.0 mm ×10.0 mm ×10.0 mm 方塊試樣和10.0 mm ×10.0 mm ×0.5 mm(在鑄滲層中取樣)薄片試樣用于顯微組織分析。將方塊試樣磨平后在德國(guó)Brux D-8 X射線衍射儀(XRD)上進(jìn)行物相分析;磨制拋光用王水腐蝕后在配有能譜儀(EDX)的JSM-5610LV掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行分析;將薄片試樣制備成厚度為50 μm以下的φ3 mm透射試樣，進(jìn)行離子減薄之后在JSM2100高分辨透射電子顯微鏡(TEM)下觀察。

通過(guò)SEM、EDX、XRD、TEM等試驗(yàn)方法觀察鑄滲層組織中晶粒大小，物相組成，碳化物分布形態(tài)，納米顆粒分布形態(tài)，分析納米TiN加入量對(duì)鑄滲層組織的影響和作用機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 結(jié)合界面分析

通過(guò)觀察，在試樣表面形成了一層明顯區(qū)別于ZG35材料的鑄滲層，鑄滲層與ZG35之間有著明顯的結(jié)合界面。利用掃描電鏡對(duì)結(jié)合界面處的顯微組織進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可看出:鑄滲層與ZG35之間有著一層50～80 μm厚的過(guò)渡層，結(jié)合界面在過(guò)渡層中間，呈犬牙交錯(cuò)，形成良好的冶金結(jié)合。在鑄滲層中分布著網(wǎng)格狀析出物(通過(guò)能譜分析為鐵鉻碳化物)。在澆注過(guò)程中，高溫鋼液將過(guò)熱熱量和結(jié)晶潛熱傳輸?shù)胶辖鸱弁繉?，使涂層中的不同成分相互擴(kuò)散，并被鋼液稀釋形成共晶液相，發(fā)生反應(yīng)燒結(jié)，原位生成一層高硬度與高耐磨性的高碳鉻滲層［7－8］。

圖1 結(jié)合界面顯微組織

2.2 合金層物相分析儀

利用X射線衍射儀(XRD)對(duì)合金層進(jìn)行物相分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可看出:鑄滲層鑄態(tài)組織由奧氏體基體和(Cr，F(xiàn)e)7C3碳化物組成，納米TiN的加入未對(duì)碳化物的種類(lèi)造成影響，但是從XRD圖譜可以看出，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%納米TiN后，衍射峰的數(shù)量增加，強(qiáng)度降低，這是由于組織的細(xì)化與碳化物數(shù)量的變化引起的。

圖2 合金層X(jué)RD圖譜

2.3 鑄滲掃描電鏡分析

通過(guò)掃描電鏡(SEM)分析，結(jié)合XRD物相分析，對(duì)距結(jié)合界面500 μm鑄滲層區(qū)域進(jìn)行組織分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可看出:隨著納米TiN加入量的增加，組織中奧氏體晶粒得到細(xì)化，碳化物由較為緊湊的連續(xù)網(wǎng)狀分布向獨(dú)立、分散的不連續(xù)網(wǎng)狀分布變化。

圖3 鑄滲層組織掃描電鏡圖像

在鑄滲過(guò)程中，高溫鋼液向涂層中擴(kuò)散，通過(guò)過(guò)熱熱量將合金粉融化并稀釋得到亞共晶液相，隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，在奧氏體晶界處析出網(wǎng)狀碳化物(見(jiàn)圖3a)。加入納米TiN之后，在合金粉被融化之前，鑄滲劑成分中的納米TiN聚集于鋼液與固態(tài)合金粉界面，或者溶于金屬液中作為異質(zhì)形核點(diǎn)促進(jìn)大量非均勻形核。納米TiN在界面的聚集與促進(jìn)形核作用均能夠抑制碳鉻元素的擴(kuò)散，造成熔體壽命較短，成分不均勻，微小體積之間出現(xiàn)成分差異。富碳鉻區(qū)域形成較為分散的不連續(xù)網(wǎng)狀分布碳化物，這種形態(tài)的碳化物大幅度提高了鑄滲層的力學(xué)性能與耐磨性。納米TiN加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，奧氏體晶粒得到細(xì)化，碳化物形態(tài)介于緊湊網(wǎng)狀與不連續(xù)網(wǎng)狀之間(見(jiàn)圖3b)，為過(guò)渡階段;納米TiN加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，碳化物呈不連續(xù)的網(wǎng)狀分布，碳化物分布較為獨(dú)立，分散(見(jiàn)圖3c);納米TiN加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，碳化物形態(tài)和晶粒度較納米TiN加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)變化較小(見(jiàn)圖3d)。

2.4 透射電鏡分析

圖4是加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%納米TiN高碳鉻滲層透射電鏡(TEM)像和選區(qū)電子衍射花樣。在TEM像中可觀察到基體中析出了大量10 nm左右的第二相粒子，并在其周?chē)龠M(jìn)形成大量的位錯(cuò)，第二相粒子強(qiáng)烈釘扎位錯(cuò)，與位錯(cuò)相互纏結(jié)。對(duì)圖4a中的基體和納米顆粒進(jìn)行電子衍射花樣標(biāo)定，結(jié)果表明基體(標(biāo)定中晶面指數(shù)后加γ)為奧氏體，納米顆粒(標(biāo)定中晶面指數(shù)后加N)為納米TiN。

TiN熔點(diǎn)高達(dá)2 950℃，納米TiN顆粒在1 550℃鋼液的加熱過(guò)程中處于部分融化或半融化狀態(tài)，能夠固溶在基體中起到釘扎作用，大大提高位錯(cuò)的密度。因此可以認(rèn)為，納米TiN在鑄滲層中能夠起到彌散強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化作用，其強(qiáng)化作用是由析出強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制導(dǎo)致的［9－13］。

圖4 鑄滲層透射電鏡像和選區(qū)電子衍射花樣

3 結(jié)論

(1)在納米TiN增強(qiáng)高碳鉻滲層制備工藝中，納米顆粒通過(guò)促進(jìn)形核與抑制微區(qū)中元素的擴(kuò)散，從而起到細(xì)化晶粒，并促進(jìn)碳化物由緊湊網(wǎng)狀向不連續(xù)網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)變。(2)在鑄滲劑中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%納米TiN能夠起到較為顯著的優(yōu)化效果，晶粒細(xì)小，碳化物較為分散。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，組織優(yōu)化效果不再顯著。(3)通過(guò)透射電鏡分析發(fā)現(xiàn)納米TiN顆粒作為第二相粒子彌散分布于奧氏體基體中，使得位錯(cuò)密度增加，起到彌散強(qiáng)化作用。

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