陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料中基體與陶瓷的選擇

汝娟堅(jiān) 賀涵

摘? 要：陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，基體及陶瓷的選擇尤為重要。文章分析了選擇高鉻鑄鐵及高錳鋼作為基體及不同陶瓷顆粒作為增強(qiáng)體的原因。根據(jù)鋼鐵與陶瓷材料之間潤(rùn)濕性差的問(wèn)題，介紹了改善陶瓷顆粒與鋼鐵基體的潤(rùn)濕性的方法。

關(guān)鍵詞：陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料;高鉻鑄鐵;高錳鋼;潤(rùn)濕性

中圖分類號(hào)：TG257? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）17-0127-02

Abstract： Ceramic reinforced iron and steel matrix composites are widely used in industrial production， and the selection of matrix and ceramics is particularly important. In this paper， the reasons for choosing high chromium cast iron and high manganese steel as matrix and different ceramic particles as reinforcements are analyzed. According to the problem of poor wettability between iron and steel and ceramic materials， the methods to improve the wettability between ceramic particles and iron and steel matrix are introduced.

Keywords： ceramic reinforced iron and steel matrix composites; high chromium cast iron; high manganese steel; wettability

1 概述

陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料是先進(jìn)復(fù)合材料的重要組成部分，主要作為高效耐磨材料應(yīng)用于機(jī)械、礦山、水泥、電力、冶金、船舶、化工和煤炭等工業(yè)領(lǐng)域中，消耗量巨大，因此耐磨復(fù)合材料近年來(lái)逐漸成為耐磨材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。但是，鋼鐵液與陶瓷的潤(rùn)濕性差，所以制備陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料相當(dāng)困難;同時(shí)陶瓷/鋼鐵界面基本為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低，復(fù)合材料力學(xué)性能低，導(dǎo)致該復(fù)合材料在抗磨損服役過(guò)程中，可靠性和耐磨性較差。因此陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料基體與陶瓷的選擇尤為關(guān)鍵，同時(shí)改善鋼鐵液與陶瓷的潤(rùn)濕性也格外重要。

2 鋼鐵基體與陶瓷的選擇

2.1 鋼鐵基體的選擇

（1）高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵中碳化物類型主要有三種，分別為（Fe，Cr）23C6、（Fe，Cr）7C3和（Fe，Cr）3C。M7C3的晶體硬度為1200-1800 HV，高于M3C（840-1100 HV）及M23C6（1000-1100 HV）。由于高鉻耐磨鑄鐵中鉻元素含量以及鉻碳比較高，所以碳化物是以（Fe，Cr）7C3為主要形式存在的[2-3]。

選用高鉻鑄鐵作為基體材料有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，高鉻鑄鐵由于馬氏體的存在而具有優(yōu)異的耐磨性能以及較高的強(qiáng)度。既保證了對(duì)陶瓷增強(qiáng)體的承載作用，又提高了復(fù)合材料整體的耐磨性。第二，該金屬的高溫流動(dòng)性較好，能更好的滲入到預(yù)制體的孔隙中。第三，高鉻鑄鐵與陶瓷不會(huì)因高溫的作用下而生成脆性相，影響使用壽命。

（2）高錳鋼

高錳鋼作為一種抗沖擊耐磨材料廣泛應(yīng)用于冶金礦山、煤炭、電力等行業(yè)。高錳鋼是一種延性耐磨材料，沖擊韌性很高，室溫下高達(dá)aku276.6。屈強(qiáng)比較低，Rel334-409MPa，Rm607-980MPa，有很強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力。但在未充分硬化前，其耐磨性能并不高。

高錳鋼經(jīng)過(guò)不同的熱處理工藝而產(chǎn)生不同的相及組織，從而使其硬度不同。

鑄態(tài)的高錳鋼組織中有碳化物和共析組織，其硬度隨碳化物的含量增高而增大，一般HB200-230范圍內(nèi)。水韌處理后的硬度HB170-230范圍內(nèi)，主要為固溶強(qiáng)化。加工硬化的硬度能夠達(dá)到HB600，這種高硬度適合于多種耐磨工況，也是高錳鋼作為優(yōu)異的耐磨材料的主要原因。

2.2 陶瓷顆粒的選擇

依據(jù)陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在不同工況下的應(yīng)用及性能的要求，對(duì)陶瓷顆粒的選擇具有以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）陶瓷顆粒的性能

比如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及化學(xué)穩(wěn)定性好等性能。

（2）陶瓷顆粒與金屬基體的潤(rùn)濕性

陶瓷與金屬之間的潤(rùn)濕性是衡量金屬陶瓷組織結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)劣的關(guān)鍵條件，潤(rùn)濕性越好，金屬液越容易對(duì)陶瓷預(yù)制體進(jìn)行浸潤(rùn)，金屬相形成的連續(xù)相可能性越大，因此復(fù)合材料的性能越好。

（3）陶瓷顆粒的化學(xué)穩(wěn)定性

在高溫下制備復(fù)合材料時(shí)，由于金屬和陶瓷性質(zhì)上的差別，極易發(fā)生界面反應(yīng)及脆性相的生成，嚴(yán)重影響復(fù)合材料性能，因此選用的陶瓷與金屬應(yīng)具有良好的化學(xué)相容性。

（4）陶瓷顆粒的成本

若使復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化，除了滿足性能上的要求，材料的來(lái)源的廣泛性，成本的低廉性尤為重要。

Al2O3陶瓷顆粒不僅價(jià)格低廉（約為WC成本的2%）、且耐高溫磨損、耐腐蝕性能更為優(yōu)異，與鋼鐵基體的熱膨脹系數(shù)更為匹配;隨著氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）陶瓷的發(fā)展和成熟又大大提高了Al2O3陶瓷顆粒的韌性，因此近十年來(lái)高性能低成本ZTA顆粒（ZTAp）增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的研發(fā)特別受到關(guān)注。

3 陶瓷與金屬的潤(rùn)濕性

金屬與陶瓷材料之間潤(rùn)濕性的研究是制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵[4]。從陶瓷-金屬的界面結(jié)合方式來(lái)看，包括反應(yīng)性潤(rùn)濕和非反應(yīng)性潤(rùn)濕。由于反應(yīng)性潤(rùn)濕過(guò)程中會(huì)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，使這個(gè)潤(rùn)濕過(guò)程在中間層上進(jìn)行，能夠有效促進(jìn)界面結(jié)合。而在非反應(yīng)性潤(rùn)濕過(guò)程中，液態(tài)金屬的表面張力具有重要影響。因此，金屬基體與陶瓷相的潤(rùn)濕性，不但是決定金屬基復(fù)合材料工藝成敗和材料性能優(yōu)劣的重要因素之一，而且還對(duì)冶金、鑄造、陶瓷連接、焊接、涂層技術(shù)等有重要影響。目前常用的改善陶瓷與金屬潤(rùn)濕性的方法主要有以下幾種：

3.1 合金化

金屬合金化是最為簡(jiǎn)單有效的方法，因此得到了廣泛應(yīng)用。在金屬基體中添加合金元素，使合金元素在液態(tài)金屬表面及固/液界面吸附與富集，降低液態(tài)金屬表面張力及固/液界面張力;合金元素在固/液界面發(fā)生界面反應(yīng)，形成界面反應(yīng)產(chǎn)物，從而降低接觸角。

3.2 熱處理

熱處理方式對(duì)于提高金屬與陶瓷顆粒間的潤(rùn)濕性具有顯著影響，因此被廣泛運(yùn)用于陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料中。經(jīng)過(guò)熱處理后的陶瓷表面氧含量減少，可以減少金屬與陶瓷之間氧化反應(yīng)的產(chǎn)生，促進(jìn)金屬與陶瓷間元素的相互擴(kuò)散。另外，電磁攪拌也能夠起到相似的作用，超聲攪拌還能夠形成負(fù)壓區(qū)，從而降低陶瓷與液態(tài)金屬間的表面張力。

3.3 表面涂層技術(shù)

表面涂層技術(shù)是指利用相應(yīng)的表面技術(shù)在基體表面制備出性能優(yōu)于基體材料的表面層，其中包括氣相沉積、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂技術(shù)等。表面涂層技術(shù)通過(guò)新的涂覆物質(zhì)取代金屬與陶瓷的直接接觸，從而提高體系的潤(rùn)濕性。涂層必須滿足以下條件：促進(jìn)潤(rùn)濕;穩(wěn)定性好，能防止擴(kuò)散和界面反應(yīng)的發(fā)生;有一定強(qiáng)度，保證材料的綜合性能。

為了改善陶瓷顆粒與金屬基體界面的潤(rùn)濕性，提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量的工作，其中利用金屬涂層來(lái)改善潤(rùn)濕性的研究較多。由于鋼鐵基體與Al2O3、ZrO2、ZTA間的潤(rùn)濕角較大，潤(rùn)濕性不好，但是通過(guò)對(duì)陶瓷顆粒表面進(jìn)行金屬包覆后，其潤(rùn)濕角能夠明顯減小，而SiC、TiC、WC等碳化物與鋼鐵基體的潤(rùn)濕性則較好[6，7]。相比之下，鋁基體與氧化物、碳化物陶瓷間的潤(rùn)濕性也很差，但是通過(guò)添加合金元素也能夠使陶瓷顆粒和金屬液潤(rùn)濕性得到改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍廣泛，但需要針對(duì)不同工況對(duì)鋼鐵基體及陶瓷進(jìn)行選擇，以便制備出的陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料性能更好。通過(guò)合適的改善潤(rùn)濕的方法，使陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料界面結(jié)合能力更強(qiáng)，力學(xué)性能更佳。

參考文獻(xiàn)：

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