陶瓷增強鋼鐵基復合材料中基體與陶瓷的選擇

劉昱辰

【摘 要】陶瓷增強鋼基復合材料廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，基體和陶瓷的選擇尤為重要。文章分析了選擇高鉻鑄鐵和高錳鋼為基體，選擇不同陶瓷顆粒為增強材料的原因。針對鋼與陶瓷材料之間的潤濕性差的問題，提出了一種提高陶瓷顆粒與鋼基體潤濕性的方法。

【關鍵詞】陶瓷增強鋼鐵基復合材料;高鉻鑄鐵;高錳鋼;潤濕性

引言：

陶瓷增強鋼基復合材料是先進復合材料的重要組成部分。它們主要用作機械，采礦，水泥，電力，冶金，造船，化工和煤炭等工業(yè)領域中的高效耐磨材料。消耗巨大，因此它們是耐磨的。近年來，復合材料已逐漸成為耐磨材料領域的研究熱點。然而，鋼水和陶瓷的潤濕性很差，因此很難制備陶瓷/鋼復合材料。同時，陶瓷/鋼界面基本上是機械結合的，復合材料的結合強度低，機械性能低，導致復合材料在抗磨服務過程中的可靠性和耐磨性較差。因此，陶瓷增強鋼基復合材料基體和陶瓷的選擇尤為重要，而提高鋼水和陶瓷的潤濕性也極為重要。

一、強韌設計及其制備方法

對對于顆粒增強的表面復合材料，它們都屬于整個層復合材料。即，整個復合層形成在耐磨部件的工作表面上。這種復合材料在切削磨損或高溫磨損條件下表現(xiàn)出相對較好的耐磨性，但在某些具有強沖擊力（例如大破碎錘）或高應力（例如磨輥）的磨損條件下，可以沿復合層界面剝離復合材料。當剝離復合層時，耐磨組件的快速磨損會導致過早失效。近年來，西安交通大學耐磨性研究組開發(fā)了一種具有釘扎作用的表面復合材料及其制備技術。與傳統(tǒng)的表面復合結構相比，拉伸復合材料的柱狀金屬基體對復合材料具有一定的影響。釘扎效果可以有效地抑制復合層沿著接合面剝離的問題。實驗表明，預制的陶瓷顆粒塊的制備是這種釘扎表面復合材料的鑄造和滲透模塑的重要環(huán)節(jié)。高一民等。我們發(fā)明了一種新型的耐熱橡膠混合物，該混合物顯著提高了預成型塊對高溫液態(tài)金屬的耐腐蝕性，并解決了預成型塊在鑄造滲透過程中過早坍塌的問題。

二、鋼基質(zhì)和陶瓷的選擇

1鋼基質(zhì)的選擇

1.1高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵中有三種主要類型的碳化物，即（Fe，Cr）23C6，（Fe，Cr）7C3和（Fe，Cr）3C。M7C3的晶體硬度為1200-1800HV，高于M3C（840-1100HV）和M23C6（1000-1100HV）。由于高鉻耐磨鑄鐵中的高鉻含量和相對高的鉻碳含量，碳化物主要為（Fe，Cr）7C3。選擇高鉻鑄鐵作為基礎材料具有三個優(yōu)點：首先，由于存在馬氏體，高鉻鑄鐵具有出色的耐磨性和更高的強度。它不僅確保了陶瓷增強材料的支撐效果，而且還提高了復合材料的整體耐磨性。其次，金屬具有更好的高溫流動性，并且可以更好地滲透到預成型件的孔中。第三，高鉻鑄鐵和陶瓷在高溫作用下不會產(chǎn)生脆性相，這會影響使用壽命。

1.2高錳鋼

高錳鋼作為抗沖擊和耐磨材料廣泛用于冶金礦山，煤炭，電力和其他行業(yè)。高錳鋼是一種具有高韌性和高沖擊韌性的耐磨材料，在室溫下可達aku276.6。屈服強度低，Rel334-409MPa，Rm607-980MPa，具有很強的應變硬化能力。但是在完全硬化之前，其耐磨性并不高。高錳鋼經(jīng)過不同的熱處理工藝產(chǎn)生不同的組織，因此其硬度也不同。鑄態(tài)高錳鋼組織中存在碳化物和共析組織，硬度隨碳化物含量的增加而增加，一般在HB200-230范圍內(nèi)。水增韌后的硬度在HB170-230范圍內(nèi)，主要是固溶強化。加工硬化硬度可以達到HB600。這種高硬度適用于各種耐磨條件，并且是高錳鋼是優(yōu)良耐磨材料的主要原因。

2陶瓷顆粒的選擇

根據(jù)不同工作條件下陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的應用和性能要求，陶瓷顆粒的選擇具有以下標準：

2.1陶瓷顆粒的性能

如高強度，高韌性，高硬度，高比強度，耐高溫，耐腐蝕，耐磨性和良好的化學穩(wěn)定性。

2.2陶瓷顆粒和金屬基體的潤濕性

陶瓷和金屬之間的潤濕性是衡量金屬陶瓷結構和性能的關鍵條件。潤濕性越好，熔融金屬越容易滲入陶瓷預成型坯，并且金屬相形成連續(xù)相的可能性越大，因此復合材料的性能越好。

2.3陶瓷顆粒的化學穩(wěn)定性

在高溫下制備復合材料時，由于金屬和陶瓷性能的差異，容易發(fā)生界面反應和脆性相的形成，嚴重影響了復合材料的性能。因此，所選的陶瓷和金屬應具有良好的化學相容性。

2.4陶瓷顆粒的成本

如果復合材料可以工業(yè)化，那么除了滿足性能要求外，廣泛的材料來源和低成本尤為重要。Al2O3陶瓷顆粒不僅價格低廉（約為WC成本的2%），而且具有更好的高溫耐磨性和耐腐蝕性。它們與鋼基質(zhì)的熱膨脹系數(shù)更兼容;隨著氧化鋯氧化鋁（ZTA）陶瓷的增韌，Al2O3陶瓷顆粒的發(fā)展和成熟大大提高了Al2O3陶瓷顆粒的韌性。因此，在過去的十年中，高性能和低成本ZTA顆粒（ZTAp）增強鋼基復合材料的研究受到了特別的關注。

三、陶瓷和金屬的潤濕性

對金屬和陶瓷材料之間的潤濕性的研究是制備陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的關鍵。從陶瓷-金屬界面結合方法的角度來看，它包括反應性潤濕和非反應性潤濕。由于化學反應在反應性潤濕過程中發(fā)生，所以在中間層上進行潤濕過程，這可以有效地促進界面結合。同時，在非反應性潤濕過程中，液態(tài)金屬的表面張力具有重要影響。

陶瓷的潤濕性對金屬基復合材料的冶金，鑄造，陶瓷連接，焊接，噴漆和其他工藝有重要影響。目前，提高陶瓷和金屬潤濕性的常用方法主要有以下幾種：

1合金化

金屬合金化是最簡單，最有效的方法，因此已被廣泛使用。向金屬基質(zhì)中添加合金元素使合金元素吸附并集中在液態(tài)金屬的表面和固液界面上，從而降低了液態(tài)金屬的表面張力和固液界面張力。合金元素在固/液界面處反應以形成界面反應產(chǎn)物，從而減小接觸角。

2熱處理

熱處理方法對改善金屬與陶瓷顆粒之間的潤濕性具有顯著作用，因此被廣泛用于陶瓷-金屬復合材料中。熱處理后，降低了陶瓷表面上的氧含量，可以減少金屬與陶瓷之間的氧化反應，并且可以促進金屬與陶瓷之間元素的相互擴散。另外，電磁攪拌也可以起到類似的作用。超聲攪拌還可以形成負壓區(qū)，從而降低陶瓷和液態(tài)金屬之間的表面張力。

3表面涂層技術

表面涂層技術是指使用相應的表面技術在基底表面上制備性能比基底材料更好的表面層，包括氣相沉積，電鍍，化學鍍，熱噴涂技術等。表面涂層技術替代了表面涂層技術。金屬和陶瓷與新涂層材料之間的直接接觸改善了系統(tǒng)的潤濕性。涂層必須滿足以下條件：促進潤濕;具有良好的穩(wěn)定性，防止擴散和界面反應;并具有一定的強度來保證材料的綜合性能。

為了提高陶瓷顆粒與金屬基體之間界面的潤濕性并增加界面的結合強度，國內(nèi)外學者做了很多工作。其中，有許多關于使用金屬涂層改善潤濕性的研究。由于鋼基體與Al2O3，ZrO2和ZTA之間的潤濕角較大，因此潤濕性不好。但是，在陶瓷顆粒表面進行金屬涂覆后，潤濕角可以顯著減小，并且SiC，TiC，WC碳化物和鋼基體的潤濕性更好。相反，鋁基體與氧化物和碳化物陶瓷之間的潤濕性也很差，但是通過添加合金化也可以改善陶瓷顆粒和熔融金屬的潤濕性。

四、結束語

總之，陶瓷增強鋼基復合材料具有廣泛的應用范圍，但是需要選擇鋼基和陶瓷用于不同的工作條件，以制備性能更好的陶瓷/鋼復合材料。通過適當?shù)母纳茲櫇裥缘姆椒?，陶?鋼復合界面具有更強的粘結能力和更好的機械性能。

參考文獻：

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（作者單位：安徽省界首市盧氏刻花彩陶有限公司）