熱處理溫度對(duì)顆粒增強(qiáng)45鋼基表面復(fù)合材料組織的影響

韓文華 宋博宇 劉桂榮

【摘 要】通過(guò)自蔓延高溫合成法和真空消失模鑄滲法制備出了TiB2和TiC顆粒增強(qiáng)45鋼基表面復(fù)合材料，研究了熱處理溫度對(duì)表面復(fù)合材料組織的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)熱處理后復(fù)合材料的復(fù)合層與基體呈良好的冶金結(jié)合，沒(méi)有宏觀和微觀缺陷。TiB2和TiC 顆粒形貌發(fā)生改變，生成的TiB2和TiC顆粒數(shù)量減少、尺寸減小。

【關(guān)鍵詞】表面復(fù)合材料;熱處理溫度;TiC顆粒;TiB2顆粒

中圖分類號(hào)： TB333;TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）22-0171-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.079

復(fù)合材料由于兼具了基體和增強(qiáng)相的優(yōu)點(diǎn)，而被譽(yù)為21世紀(jì)最有潛力的工程材料[1]。金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites，簡(jiǎn)稱MMCs）是以金屬為基體，以金屬或非金屬的長(zhǎng)/短纖維、晶須、顆粒等為增強(qiáng)相的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度及耐熱范圍大大提高[2]。本研究以應(yīng)用廣泛的碳鋼為基體，TiB2和TiC顆粒增強(qiáng)相集中分布在易磨損的部位（表面），復(fù)合工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。通過(guò)自蔓延高溫合成法和真空消失模鑄滲法制備出的復(fù)合材料內(nèi)部組織致密性和均勻性有待提高。恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢云鸬郊?xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻，還可使工件表面具有抗磨損、耐腐蝕等特殊物理化學(xué)性能。

本文通過(guò)研究復(fù)合材料的形成機(jī)制，為T(mén)iB2和TiC顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制造開(kāi)辟新的思路和途徑，為先進(jìn)耐磨復(fù)合材料的工業(yè)化和實(shí)用化提供理論依據(jù)和實(shí)用技術(shù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

合金粉末預(yù)制塊主要成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比見(jiàn)表1。

將鈦粉、碳化硼粉和鈦鐵粉按比例稱重后放入研磨皿中進(jìn)行充分研磨，目的是使合金粉末混合均勻，以便在自蔓延高溫合成反應(yīng)中生成彌散分布的增強(qiáng)顆粒。充分研磨后，加入少量的脫水硼砂（硼砂放入陶瓷坩堝中加熱翻炒，直到硼砂完全轉(zhuǎn)變成為白色的粉末為止。）繼續(xù)研磨，直至所有粉末混合均勻。將混合均勻的粉末平均分成若干份，每份中均加入合成樹(shù)脂，邊加入邊攪拌，直至干粉消失。

1.2 試驗(yàn)方法

將加入了合成樹(shù)脂的合金粉末放入壓力機(jī)的模具中壓制成Φ30mm×5mm的合金粉末預(yù)制塊，而后放置到通風(fēng)處充分干燥。待合金粉末預(yù)制塊充分干燥后與用ESP做成的澆注系統(tǒng)粘結(jié)在一起，涂掛防粘砂涂料后再放置到通風(fēng)處繼續(xù)干燥，接下來(lái)再涂掛第二次，二次充分干燥后等待澆注。45鋼的冶煉在中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行，澆注溫度控制在1600℃左右。

將成型后的復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械切割并制成大小合適的試樣，以待進(jìn)行熱處理。因45鋼屬于亞共析鋼（wc=0.3～0.6%），故熱處理工藝采用完全退火。完全退火是將鋼件或鋼材加熱至Ac3以上20～30℃。所以對(duì)于45鋼選定820℃、840℃兩個(gè)熱處理溫度對(duì)表面組織的影響進(jìn)行討論，冷卻方式均為隨爐冷卻。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1示出了不同奧氏體化溫度下的過(guò)渡層的顯微組織。圖1（a）示出了復(fù)合材料鑄態(tài)下的組織，由圖知，復(fù)合材料過(guò)渡層與基體界面清晰明顯，過(guò)渡層中黑色相較多，分布較均勻，但仍有偏析現(xiàn)象存在。經(jīng)過(guò)820℃和840℃熱處理后，復(fù)合材料過(guò)渡層與基體交界處黑色相明顯減少，但仍呈良好的冶金結(jié)合，沒(méi)有宏觀和微觀缺陷，如圖1（b）、（c）所示。復(fù)合材料鑄態(tài)組織過(guò)渡層中黑色相多是由于在高溫鋼水的沖擊作用下，復(fù)合層中的增強(qiáng)顆粒向基體擴(kuò)散的結(jié)果。在熱處理過(guò)程中，隨著溫度的升高，增強(qiáng)顆粒重新熔解到了奧氏體中，并在冷卻過(guò)程中不再析出。

圖2示出了復(fù)合材料鑄態(tài)組織和經(jīng)過(guò)840℃熱處理后的復(fù)合層的增強(qiáng)顆粒形貌。鑄態(tài)組織中的增強(qiáng)顆粒數(shù)量較多，尺寸分布不均勻，顆粒邊緣有尖角。經(jīng)過(guò)840℃熱處理后，復(fù)合層中的TiB2和TiC顆粒數(shù)量減少，顆粒尺寸較均勻。TiB2和TiC顆粒在鑄態(tài)下多呈六棱柱和多邊形，熱處理后變得圓整。這是因?yàn)門(mén)iB2和TiC顆粒的尖角增加了顆粒的表面積，使得顆粒的表面自由能升高，原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了向穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡，需要減小自由能，原來(lái)尖角的部位熔化，Ti原子、B原子和C原子自發(fā)地?cái)U(kuò)散到奧氏體中，使得TiB2和TiC顆粒變得圓整。隨著熱處理溫度的升高，復(fù)合層中TiB2和TiC顆粒部分熔解到奧氏體中，使得初生TiB2和TiC數(shù)量減少。

3 結(jié)論

隨著熱處理溫度的升高，復(fù)合層中TiB2和TiC顆粒部分熔解到奧氏體中，復(fù)合材料復(fù)合層組織中TiB2和TiC顆粒增強(qiáng)顆粒數(shù)量減少，尺寸分布均勻，顆粒形貌變得圓整。

【參考文獻(xiàn)】

[1]樸東學(xué).鑄造金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向[J].鑄造，2000（9）：14-16.

[2]苑美實(shí)，孫海明.金屬?gòu)?fù)合材料在機(jī)械制造中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（19）：174-175.

[3]劉光明，楊麗峽等.軋后熱處理工藝對(duì)AZ31鎂合金鑄軋板組織性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2019，40（06）：26-32.