原位生成（Fe，Cr）7C3/Fe復(fù)合材料的磨料磨損性能

陳 哲，康 猛，葉芳霞，王亮亮，鐘黎聲，燕映霖

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，耐磨材料研究所，西安 710055）

0 引 言

金屬基復(fù)合材料高的強(qiáng)度、硬度、剛度以及優(yōu)良的耐磨損、耐腐蝕性能受到科研工作者的廣泛關(guān)注，并成為復(fù)合材料研究的重要方向［1－3］。利用原位反應(yīng)法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是目前金屬基復(fù)合材料（MMCS）研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，采用該方法制備的增強(qiáng)相具有高的硬度和彈性模量，并具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性以及尺寸細(xì)小、分布均勻、界面潔凈與基體結(jié)合良好等特點(diǎn)，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的［4－6］。原位生成的（Fe，Cr）7C3增強(qiáng)顆粒具有高的硬度（1 300～1 800HV）［7］，且其原材料豐富，成本低，在低應(yīng)力和高應(yīng)力磨料磨損領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。

目前，關(guān)于Cr7C3或（Fe，Cr）7C3顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的研究很多［8－10］。這些研究基本是以粉體為原料來(lái)制備 M7C3或（Fe，Cr）7C3顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的，而康猛［11］等采用純鉻絲與灰鑄鐵為原料，通過(guò)原位反應(yīng)生成了（Cr，F(xiàn)e）7C3，制備出具有高體積分?jǐn)?shù)的（Cr，F(xiàn)e）7C3/Fe復(fù)合材料，并研究了不同保溫時(shí)間下組織的變化特征，但未對(duì)其耐磨性作深入研究。因此，作者在其試驗(yàn)基礎(chǔ)上制備了含有不同體積分?jǐn)?shù)（Cr，F(xiàn)e）7C3增強(qiáng)體的鐵基復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行磨料（Al2O3）磨損試驗(yàn)，對(duì)其磨損性能做了較為深入的研究。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

利用HT250灰鑄鐵（化學(xué)成分見(jiàn)表1）與純鉻絲（純度大于99%，直徑為1.0mm）原位反應(yīng)制備（Fe，Cr）7C3/Fe復(fù)合材料，使純鉻絲提供的鉻原子與灰鑄鐵提供的碳原子在高溫下擴(kuò)散、反應(yīng)并生成（Fe，Cr）7C3硬質(zhì)顆粒。具體方法：先按一定成分配比計(jì)算出所需HT250灰鑄鐵及純鉻絲的質(zhì)量，然后用電火花切割機(jī)將HT250灰鑄鐵切割成柱狀通孔（孔直徑為1.0mm）的試樣，如見(jiàn)圖1所示；將純鉻絲直接鑲嵌入HT250灰鑄鐵基體中，通過(guò)調(diào)整鉻絲的根數(shù)（10，12，14，16根）來(lái)調(diào)節(jié)復(fù)合材料中的鉻含量，分別制備出鉻含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為15%，17%，20%，23%的復(fù)合預(yù)制體；再將復(fù)合預(yù)制體置于石墨坩堝中，在GSL-1400X型管式加熱爐內(nèi)加熱，加熱溫度為1 220℃，保溫30min后出爐空冷，氬氣流量為5mL·min－1，制備的復(fù)合材料分別記為S1、S2、S3、S4試樣。

表1 HT250灰鑄鐵的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of gray pig iron HT250（mass） %

圖1 試樣的尺寸及形狀Fig.1 Size and shape of the sample

1.2 試驗(yàn)方法

用電火花切割機(jī)將上述制備的試樣以及HT250灰鑄鐵、BTM20Cr高鉻鑄鐵切割成6mm×20mm的磨損試樣，用超聲波清洗后放入干燥箱烘干，然后在ML-100型干式銷(xiāo)盤(pán)磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，載荷選擇5，10，15，20N，磨料選用粒徑124μm的石英（Al2O3）砂紙，圓盤(pán)轉(zhuǎn)速60r·min－1，每次持續(xù)2min。用天平稱(chēng)取試樣磨損前后質(zhì)量，計(jì)算試樣磨損量即磨損前后的質(zhì)量差。

用D/max-RB型X射線(xiàn)衍射儀（XRD）測(cè)試樣的物相組成；用JST-6700F型掃描電鏡（SEM）觀察試樣的顯微組織，腐蝕液為體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液；用HVT-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試樣的維氏硬度，取5個(gè)點(diǎn)的平均值。

用Image-Pro Plus 6.0軟件測(cè)定復(fù)合材料中（Cr，F(xiàn)e）7C3碳化物的體積分?jǐn)?shù)，方法如下：將待測(cè)復(fù)合材料組織照片導(dǎo)入Image-Pro Plus 6.0軟件，先選定所需視場(chǎng)，設(shè)其總面積為AT；然后測(cè)出待測(cè)顆粒的總面積為Aα，則面積分?jǐn)?shù)AA＝Aα/AT；最后取適當(dāng)倍數(shù)下的N個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定，取其平均值作為碳化物的體積分?jǐn)?shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相組成

由圖2可以看出，所制備復(fù)合材料的主要物相為（Fe，Cr）7C3碳化物、鐵 素 體 （α-Fe）及奧氏體（γ-Fe），且無(wú)純金屬鉻的特征峰。這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)30min的保溫，金屬鉻已完全溶解并與基體中的碳發(fā)生了原位反應(yīng)，反應(yīng)完全。

2.2 顯微組織及硬度

通過(guò)軟件測(cè)得S1、S2、S3、S4試樣的碳化物體積分?jǐn)?shù)分別為37%，46%，62%，71%。

由圖3可以看出，隨試樣中鉻含量的增多，碳化物的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。

圖3 不同試樣的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of different samples：（a）sample S1；（b）sample S2；（c）sample S3and（d）sample S4

從表2中可以看出，隨復(fù)合材料中碳化物體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合試樣的平均顯微硬度也隨之增大，S4試樣的最高，為1 453HV0.1。

表2 不同試樣的顯微硬度Tab.2 Microhardness of different samples HV0.1

2.3 磨損性能

由圖4可見(jiàn)，隨碳化物體積分?jǐn)?shù)的增加，試樣的磨損量先減小然后略有增加；S3試樣的磨損質(zhì)量最小，S4試樣的磨損質(zhì)量較之略有增加?？梢?jiàn)，在氧化鋁砂紙磨損條件下，S3試樣的耐磨性最好。

圖4 在5N載荷下不同試樣的磨損量Fig.4 Wear mass loss of different samples at the load of 5N

增強(qiáng)相（碳化物）在復(fù)合材料中所占的體積分?jǐn)?shù)不是越大越好的，增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)越大，基體所占比例就越小，從而使得基體對(duì)增強(qiáng)相的支撐固結(jié)作用越來(lái)越弱，在磨料對(duì)增強(qiáng)顆粒的沖擊力作用下，增強(qiáng)顆粒與基體的結(jié)合面更易受到破壞，而使破碎顆粒剝落。當(dāng)碳化物體積分?jǐn)?shù)從62%增至71%時(shí)，復(fù)合材料的硬度從1 400HV增至1 453HV，增幅不是很大，所以依靠磨料顆粒對(duì)材料的切削、犁削作用而產(chǎn)生的磨損量也應(yīng)該不會(huì)相差太大，而且碳化物體積分?jǐn)?shù)為71%時(shí)復(fù)合材料的磨損量應(yīng)該比62%時(shí)的小，但實(shí)際情況并非如此。這是因?yàn)?，在載荷為5N時(shí)，（Fe，Cr）7C3顆粒在Al2O3磨料顆粒的沖擊作用下破碎，因基體材料所占比例較少時(shí)，破碎顆粒會(huì)從基體中發(fā)生剝落而造成磨損量增加，所以碳化物體積分?jǐn)?shù)為71%時(shí)復(fù)合試樣的磨損量比62%時(shí)的又略有增加。

從圖5的低倍形貌可見(jiàn)，經(jīng)Al2O3砂紙磨損后，4個(gè)試樣均產(chǎn)生了切削及犁削磨損，磨損表面均存在均勻且連續(xù)的犁溝。這主要是由于高硬度的Al2O3磨料顆粒在5N載荷下能夠較深地壓入復(fù)合材料中，并在磨損過(guò)程中切向力的作用下劃過(guò)復(fù)合材料表面，對(duì)材料產(chǎn)生切削及犁削作用，形成明顯的犁溝。另外，S1、S2、S3試樣磨損面的犁溝上均存在一些與磨損方向垂直的微小凹坑，使犁溝有明顯的凹凸感，S4試樣上的犁溝凹凸感沒(méi)有其它三個(gè)試樣的明顯，但在一些犁溝上可以看到有凹坑存在。

圖5 不同試樣在5N載荷下磨粒磨損后的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of samples S1－S2at low （a，c，e，g）and high（b，d，f，h）magnifications after abrasive wear test at the load of 5N

對(duì)比磨損形貌的局部放大圖可以看出，隨試樣中碳化物體積分?jǐn)?shù)的增多，犁溝上凹坑的寬度及深度都有所減輕，S4試樣上無(wú)明顯的凹坑。S1試樣中碳化物的體積分?jǐn)?shù)為37%，相對(duì)而言基體所占比例較多，故而單位面積上增強(qiáng)相碳化物顆粒所占比例較少，顆粒間的距離較大。在Al2O3磨料顆粒壓入基體并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于基體與增強(qiáng)相的硬度不同，磨料顆粒在基體及增強(qiáng)相上的壓入深度不同，因此，就會(huì)在犁溝上形成明顯的凹坑。S4試樣上一些凹坑分布于磨損表面的犁溝上。這些凹坑是由于增強(qiáng)顆粒的剝落而造成的，由于碳化物體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，基體的減少將會(huì)減小基體對(duì)碳化物的支撐及固結(jié)作用，同時(shí)使基體吸收能量以及減緩?fù)饬?duì)顆粒的沖擊作用相對(duì)減弱，容易造成破碎顆粒剝落。

由圖6可見(jiàn)，S2試樣受到了明顯的切削作用，破碎的碳化物顆粒分布于犁溝中，很明顯磨料將基體及碳化物增強(qiáng)顆粒一同切削掉?？梢?jiàn)，在硬磨料磨損條件下，（Fe，Cr）7C3增強(qiáng)相對(duì)基體不能起到很好的增強(qiáng)作用。

從圖7可以看出，在不同載荷下，HT250灰鑄鐵的磨損量遠(yuǎn)高于復(fù)合材料及BTM20Cr高鉻鑄鐵的，且不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。而復(fù)合材料與高鉻鑄鐵的磨損量無(wú)太大的差別，說(shuō)明在硬磨料條件下，這兩者的磨損性能相當(dāng)。

圖6 在5N載荷磨損后S2試樣縱截面的SEM形貌Fig.6 SEMmorphology of longitudinal section of sample S2worn at the load of 5N

圖7 不同材料的載荷與磨損量關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Wear mass loss vs load for different materials

由圖8可以看出，在20N載荷下HT250灰鑄鐵上的切削痕最為明顯，BTM20Cr高鉻鑄鐵與復(fù)合材料S3試樣上均為較細(xì)小的切削痕，且差別不大。另外，從HT250灰鑄鐵的磨損形貌可以看到，一些與磨損方向垂直的裂痕分布于基體上。這是由于灰鑄鐵基體相對(duì)硬度較低，磨料顆粒壓入較深，在磨損過(guò)程中塑性基體產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象而變脆，在切向力的作用下發(fā)生撕裂。復(fù)合材料及BTM20Cr高鉻鑄鐵上除了有切削痕外，還分布著一些由破碎顆粒剝落而形成的剝落坑，并且復(fù)合材料上的剝落坑明顯多于BTM20Cr高鉻鑄鐵上的；同時(shí)從圖8（d）可以看出，在Al2O3的作用下，BTM20Cr高鉻鑄鐵中的大部分碳化物增強(qiáng)相是與基體一同被切削掉的。

圖8 20N載荷下不同材料的磨粒磨損形貌Fig.8 Abrasive wear morphology of composites（a）（b），BTM20Cr high-chromium iron（c）（d），and HT250grey iron（e）（f）at low and high magnifications at the load of 20N

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)調(diào)整鑄鐵中鉻絲的根數(shù)，可以原位反應(yīng)制備出不同含量（Fe，Cr）7C3顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料。

（2）在Al2O3硬磨料條件下，載荷為5N時(shí)，碳化物體積分?jǐn)?shù)為62%的復(fù)合材料的耐磨性最好；各試樣的磨損均是由于磨料顆粒對(duì)材料進(jìn)行切削造成的，對(duì)于碳化物體積分?jǐn)?shù)為71%的復(fù)合材料而言，還包括一些破碎增強(qiáng)顆粒的剝落。

（3）碳化物體積分?jǐn)?shù)為62%的復(fù)合材料與HT250灰鑄鐵及BTM20Cr高鉻鑄鐵在相同的磨損試驗(yàn)條件下，磨損量均隨載荷的增加而增大；該復(fù)合材料的磨損量與BTM20Cr高鉻鑄鐵的較為接近，而鑄鐵的磨損量最大。

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