兩種納米陶瓷粉體強(qiáng)化ASTM G2500的性能

王艷亮，楊軍，嚴(yán)進(jìn)，陳美玲

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.西安財(cái)經(jīng)學(xué)院 統(tǒng)計(jì)學(xué)院，陜西 西安710100)*

0 引言

ASTM G2500是鑄造生產(chǎn)中最常見的一種鑄造合金，憑借其良好的鑄造性能，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用.同時(shí)由于ASTM G2500中的石墨以片狀形式存在，使其有良好的耐磨性、減震性和較低的缺口敏感性，被廣泛用于機(jī)床機(jī)身、鉆井機(jī)油泵葉片等需要減震耐磨的場合.試驗(yàn)所用陶瓷粉體是一種典型的強(qiáng)共價(jià)鍵化合物材料，具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高硬度、高彈性模量、高熱導(dǎo)率、高溫強(qiáng)度好、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域尤其是在航空航天、機(jī)械、冶金、能源、環(huán)保、化工、醫(yī)學(xué)、電子、軍工等高尖端技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，作為顆粒增強(qiáng)體也常被用在金屬基復(fù)合材料的制備中［1-3］.

為了進(jìn)一步提高ASTM G2500的力學(xué)性能，采用兩種納米陶瓷粉體，以普通ASTM G2500為試驗(yàn)材料，在生產(chǎn)條件下制備ASTM G2500試樣，研究了添加納米陶瓷粉體后ASTM G2500的顯微組織和力學(xué)性能.

1 試樣材料和方法

試驗(yàn)所用原材料為ASTM G2500，其化學(xué)成分如表1所示，熔煉溫度為1 550℃，包內(nèi)孕育(硅鐵孕育劑，加入量0.15%).鐵液出爐前，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米陶瓷粉體置于澆包底，用熔化的鐵液沖入，無需攪拌，保溫靜置，然后進(jìn)行砂型澆注，澆注溫度為1 380℃，然后冷卻得到 ASTM G2500試樣.試驗(yàn)所用的納米陶瓷粉體A、B的加入量如表2所示.

表1 ASTM G2500的化學(xué)成分 %

表2 納米陶瓷粉體A、B的加入量

用ZEISS顯微鏡(OLYMPUSBX-51)觀察其石墨形態(tài)，并在4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察其強(qiáng)化材料的基體組織.

室溫拉伸試驗(yàn)在液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)(WE300)上進(jìn)行，拉伸試樣的尺寸符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB T6397 1986;硬度試驗(yàn)在布氏硬度試驗(yàn)機(jī)(HB3000)上進(jìn)行.

2 金相組織和分析

2.1 添加納米陶瓷粉體A的鑄態(tài)金相分析

鑄態(tài)金相組織如圖1所示.由圖1可見，添加納米陶瓷粉體前后ASTM G2500中的石墨均以A型石墨為主，未添加納米陶瓷粉體A的試樣里石墨分布比較凌亂，不太規(guī)則;添加了納米陶瓷粉體A的試樣石墨明顯變細(xì)，同時(shí)石墨線條有所減小，并且分散均勻;同時(shí)隨著納米陶瓷粉體A的添加量不同石墨細(xì)化的現(xiàn)象更為明顯.

圖1 添加納米陶瓷粉體A鑄態(tài)金屬的石墨形態(tài)及基體組織(200×)

除石墨的形態(tài)有變化外，試樣的基體組織也有變化，經(jīng)過4%硝酸酒精溶液腐蝕后基體組織如圖1所示.ASTM G2500的基體組織由珠光體和鐵素體組成，與未添加納米陶瓷粉體A的試樣相比，加入納米陶瓷粉體A后，基體組織中鐵素體的含量明顯增多.

2.2 添加納米陶瓷粉體B的鑄態(tài)金相分析

鑄態(tài)金相組織如圖2所示.由圖2可見，未添加納米陶瓷粉體B的試樣石墨分布比較不規(guī)則，且形狀大小不均勻;添加了0.05%納米陶瓷粉體B以后石墨的形狀變大，分布有了一定方向性，且數(shù)量減少;添加量達(dá)到0.15%時(shí)石墨的形狀有細(xì)化的現(xiàn)象，同時(shí)石墨的端部有銳化的趨勢.

經(jīng)過4%硝酸酒精溶液腐蝕后基體組織如圖2所示.與未添加納米陶瓷粉體B的試樣相比，加入納米陶瓷粉體B后，基體組織中珠光體的含量明顯增多，其中以B5的珠光體基數(shù)為最大.

圖2 添加納米陶瓷粉體B鑄態(tài)金屬的石墨形態(tài)及基體組織(200×)

3 力學(xué)性能分析

3.1 添加納米陶瓷粉體A的力學(xué)性能

圖3 納米陶瓷粉體A不同添加量對試樣力學(xué)性能的影響

由圖3可知，加入納米陶瓷粉A并沒有明顯提高ASTM G2500的力學(xué)性能，納米陶瓷粉體A含量為0.05%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和硬度均有所降低，抗拉強(qiáng)度降低12.78%，硬度降低10.87%;納米陶瓷粉體A含量為0.15%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度略微提高6.67%，硬度降低8.36%.這與金相組織中珠光體含量降低，鐵素體含量升高的趨勢基本一致.

3.2 添加納米陶瓷粉體B的力學(xué)性能

由圖4可知，加入納米陶瓷粉體B能夠提高ASTM G2500的力學(xué)性能，納米陶瓷粉體B含量為0.05%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度提高10.76%，硬度提高1.63%;納米陶瓷粉體B含量為0.15%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度提高12.97%，硬度降低1.63%.這與金相組織中珠光體含量升高，鐵素體含量降低的趨勢基本一致.

圖4 納米陶瓷粉體B不同添加量對試樣力學(xué)性能的影響

4 結(jié)論

(1)添加納米陶瓷粉體A的試樣其石墨短小，分散均勻，并隨著粉體A添加量的增多石墨變細(xì)，同時(shí)基體組織中出現(xiàn)了相對較多的鐵素體;試樣的抗拉強(qiáng)度有變化，添加量為0.05%時(shí)降低12.78%，添加量為0.15%時(shí)提高6.67%;硬度均有所降低，添加量為0.05%時(shí)降低10.87%，添加量為0.15%時(shí)降低8.36%;

(2)添加納米陶瓷粉體B的試樣其石墨分布有一定的方向性，還出現(xiàn)了細(xì)化和端部銳化的現(xiàn)象，并且試樣的基體組織中珠光體數(shù)量都有增加;試樣的抗拉強(qiáng)度均增加，添加量為0.05%時(shí)提高10.76%，添加量為0.15%時(shí)提高12.97%;硬度變化不大，添加量為0.05%時(shí)提高1.63%，添加量為0.15%時(shí)降低1.63%.

［1］朱正吼，陳其善.鑄造SiC/鋼基復(fù)合材料中粒子分布特點(diǎn)［J］.熱加工工藝，1995(2):8-9.

［2］樊振軍，汪翔，劉君武，等.SiC顆粒對燒結(jié)鐵基復(fù)合材料性能的影響［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，24(6):1079-1082.

［3］劉君武，丁厚福，鄭治祥.SiCp/Fe復(fù)合材料斷口分析［J］.理化檢驗(yàn)—物理分冊，2003，39(4);184-187.

［4］楊軍，高宏，翟玉春.用改性納米SiC粉體強(qiáng)化灰鑄鐵性能的研究［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2009:28-30.

［5］李建衛(wèi)，陳美玲，高宏.改性納米SiC粉體強(qiáng)化球墨鑄鐵的耐磨損性能［J］.潤滑與密封，2007(4):47-49.