鑄滲過程粒度對(duì)碳化硅鋼基表面復(fù)合材料的影響

1、鑄滲過程粒度對(duì)碳化硅鋼基表面復(fù)合材料的影響     呂振林1 ,張玉萍1 ,(1.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 西安建筑科技大學(xué)冶金學(xué)院，陜西 西安 710055) 摘要：采用負(fù)壓鑄滲的方法，以Q235鋼為母材制備碳化硅顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料。研究碳化硅粒度對(duì)復(fù)合效果的影響。通過試驗(yàn)與分析表明碳化硅的粒度對(duì)碳化硅鋼基表面復(fù)合材料的復(fù)合質(zhì)量有很大的影響，且碳化硅粒度在350850 m時(shí)可在鋼表面形成結(jié)合良好的復(fù)合層。 關(guān)鍵詞：鑄滲；表面復(fù)合材料；碳化硅粒度 機(jī)械零部件的失效，約有75%-80%是由磨損造成的1。隨著現(xiàn)代工

2、業(yè)的快速發(fā)展，迫切需要能在高溫、高速、沖蝕磨損條件下具有更加優(yōu)異的綜合性能的新材料。近幾年發(fā)展起來(lái)的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于其既保持了金屬熱穩(wěn)定性和延展性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有陶瓷顆粒的耐腐蝕、抗高溫氧化和耐磨損等特點(diǎn)而備受矚目。 鑄滲法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種制造金屬基表層復(fù)合材料的新技術(shù)2-5。其基本原理是將合金粉末或陶瓷顆粒等預(yù)先固定在鑄型的特定位置，在液態(tài)金屬澆注過程中，其與液態(tài)金屬作用在鑄件表面形成具有特殊組織和性能的一種材料表面復(fù)合技術(shù) 6。通過選擇合適的表面耐磨層與母材相匹配，可獲得既耐磨又能承受沖擊的綜合性能材料，該方法最適合表面要求耐磨損但又不需要表面加工或機(jī)加工精度要求較低的

3、材料的表面強(qiáng)化 7-8。因此在鋼表面復(fù)合SiC粒子，將鋼的良好的強(qiáng)度和韌性與碳化硅優(yōu)良的耐磨性結(jié)合，充分發(fā)揮它們各自的性能特點(diǎn)，在磨損和腐蝕領(lǐng)域可極大提高耐磨件的使用壽命，從而帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此本文采用負(fù)壓鑄滲工藝制備SiC顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料，研究SiC顆粒度對(duì)其復(fù)合效果的影響。 1 試驗(yàn)方法 采用負(fù)壓鑄滲制備SiC/鋼基表面復(fù)合材料，以Q235鋼為母材，不同碳化硅粒度為顆粒增強(qiáng)相，分別與2%的粘結(jié)劑（粘土）、2%的添加劑（氟化鈉和硼酸）等混合均勻制成預(yù)制塊體。然后將其涂覆在泡沫塑料板，并干燥。20kg中頻感應(yīng)電爐熔化鋼水，模型放入砂型，震實(shí)，負(fù)壓抽真空后澆注，并保持一定

4、的鑄滲時(shí)間。鋼液澆鑄溫度為1550。 待試樣完冷卻到室溫后，進(jìn)行表面清理，切割打磨，制備金相試樣。然后在XJL-03型光學(xué)顯微鏡下觀察試樣表面復(fù)合情況，在JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及其配備的能譜儀上進(jìn)行組織觀察和微區(qū)成分分析。 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 2.1 碳化硅粒度對(duì)鑄滲效果的影響 SiC粒度對(duì)復(fù)合效果的影響如表1所示。表明碳化硅粒度對(duì)SiC/鋼表面復(fù)合質(zhì)量有很大的影響。碳化硅粒度在600 850m時(shí)可以形成結(jié)合良好的復(fù)合層，而較小粒度的碳化硅則難以形成結(jié)合較好的復(fù)合層。 表1 碳化硅粒度對(duì)鑄滲層的影響 試樣編號(hào) SiC粒度/m 鑄滲效果 1 80 沒有復(fù)合層，只有過渡層 2 1

5、60 沒有復(fù)合層，只有過渡層 3 240 存在少量SiC粒子，復(fù)合層脫落嚴(yán)重 4 350 存在少量SiC粒子，形成復(fù)合層 5 600 存在大量SiC粒子，形成復(fù)合層 6 850 存在大量SiC粒子，形成復(fù)合層 圖1 鋼表面復(fù)合層的形貌 圖2 SiC/鋼表面復(fù)合層宏觀結(jié)構(gòu) 圖3 80m SiC粒子鑄滲后的復(fù)合層組織 圖4 80m SiC粒子鑄滲后鋼的表層組織 圖1是采用粒度為850m的碳化硅粒子制備的SiC/鋼表面復(fù)合材料在掃描電鏡下的組織，可看出碳化硅粒子很好的鑲嵌在鋼的基體中，并且分布較為均勻，在鋼表面形成碳化硅復(fù)合層宏觀照片如圖2所示。該復(fù)合層由SiC粒子復(fù)合層、過渡區(qū)和鋼基體組成，而且碳

6、化硅粒子較大，數(shù)量較多，排列比較緊密。 當(dāng)碳化硅粒度為80240m時(shí)，鑄滲過程中碳化硅粒子在高溫下幾乎完全分解，因而只存在過渡層，沒有形成復(fù)合層如圖3和圖4所示。分解后的碳化硅在鋼表面產(chǎn)生大量的石墨，這是由于SiC粒子的分解使其周圍的鋼液中富集大量的碳，在鋼液凝固時(shí)，過量的碳以石墨形式析出，如圖5所示。此外，SiC分解的碳還由其附近向液態(tài)鋼水內(nèi)部擴(kuò)散，形成由表面向鋼基體內(nèi)部的碳的濃度梯度，由此形成了SiC粒子復(fù)合層與鋼基體間的過渡區(qū)。過渡區(qū)的組織主要由鋼基體和石墨組成如圖6所示。復(fù)合層和過渡區(qū)厚度與SiC粒度關(guān)系如圖7所示，表明隨著SiC粒子尺寸減小，過渡區(qū)增大，復(fù)合層厚度減?。籗iC粒度低于

7、350m后復(fù)合層消失。 圖5 碳化硅粒子周圍的片狀石墨 圖 6 SiC/鋼表面復(fù)合的過渡層 圖7 復(fù)合層和過渡區(qū)厚度與SiC粒度關(guān)系 2.2 復(fù)合層組織分析 制備的SiC顆粒增強(qiáng)鋼基表面復(fù)合材料的復(fù)合層主要組織為SiC粒子鋼基體石墨，如圖5所示。鋼基體主要為鐵素體，然而在一定條件下也可以獲得珠光體組織，如圖8所示。珠光體的形成是因?yàn)镾iC粒子在高溫鋼液的作用下分解為碳和硅，即： SiC Si + C 盡管碳與硅均為石墨化元素，但在局部條件滿足滲碳體析出時(shí)，則局部的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成滲碳體和鐵素體交替排列的珠光體 圖8 復(fù)合層珠光體組織 組織。 為確定復(fù)合層的成分分布，作者還對(duì)復(fù)合層中的S

8、iC粒子與基體界面進(jìn)行能譜線掃描測(cè)定，結(jié)果如圖9所示。由圖可以看出，在整個(gè)SiC粒子及其周圍復(fù)合區(qū)域的碳元素含量較為平均，由此可知SiC粒子存在部分分解。圖9(c)為Si元素的分布，SiC粒子周圍存在著一定量的Si元素，但Si元素含量不高，這說(shuō)明SiC粒子雖然存在一些分解，但分解的量不多，這也說(shuō)明，在SiC涂層中所添加的成 (c) 硅分布 (b) 碳分布 (a) 能譜分析示意圖 (d) 鐵分布 (e) 鐵、硅、氧、碳分布 圖9 能譜分析結(jié)果 分有效地抑制了SiC粒子的分解；圖(d)為鐵元素的分布，SiC粒子周圍鐵元素含量很高，說(shuō)明鋼水充分地與SiC粒子接觸，取得了良好的復(fù)合效果。 2.3 Si

9、C粒度對(duì)復(fù)合層的影響因素 表面復(fù)合層的形成，一方面是型腔中金屬母液本體把過熱熱量和結(jié)晶潛熱傳輸?shù)筋w粒增強(qiáng)預(yù)置塊，使SiC顆粒熔化；另一方面是利用鑄滲動(dòng)力，特別是負(fù)壓作用下促使母液向預(yù)置塊浸透，進(jìn)行熱量傳遞和物質(zhì)傳輸過程，并利用高溫使SiC表面局部溶解于鋼液形成良好冶金結(jié)合，鑄滲動(dòng)力和SiC顆粒的級(jí)配對(duì)復(fù)合層的形成起至關(guān)重要的影響。 當(dāng)碳化硅顆粒較小時(shí)，預(yù)制塊中的孔隙尺寸也相應(yīng)較小，鋼液浸滲阻力較大，導(dǎo)致金屬液很難滲到預(yù)置體內(nèi)，因此鋼液滲透深度較小，造成復(fù)合層表面脫落。此外，SiC粒子與鋼基體的熱膨脹系數(shù)相差較大，也可能是引起表面復(fù)合層脫落的原因。在固定其它參數(shù)情況下，可通過控制制備預(yù)制塊壓力大

10、小來(lái)控制增強(qiáng)顆粒的毛細(xì)管大小，可對(duì)鑄滲過程中的鑄滲動(dòng)力進(jìn)行合理分配。 3. 結(jié)論 (1) 以Q235鋼為基體，2%的粘土作為SiC預(yù)制膏塊的粘結(jié)劑和2%氟化鈉2%硼酸作添加劑，在1550鑄滲碳化硅粒子，可在鑄鋼件表面形成結(jié)合良好鑄滲效果，鑄滲層存在明顯的復(fù)合層、過渡區(qū)和基體區(qū)。 (2) 碳化硅粒子的粒度為20目30目時(shí)采用消失模鑄滲法制備鋼基表面復(fù)合材料，既保證了鋼液的浸滲，又能防止SiC粒子的完全分解。 (3) 采用負(fù)壓鑄滲方法可以在鋼表面形成表面平整、SiC顆粒分布均勻、界面結(jié)合狀況良好的SiC復(fù)合層。 參考文獻(xiàn)： 1 張劍鋒，周志芳. 摩擦磨損與抗磨技術(shù)M. 天津：天津科技翻譯出版公司，

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14、urface Composite Material ZHOU Yong-xin1,2 , LV Zhen-lin1, ZHANG Yu-ping1, XING Zhi-guo1 (1. School of Materials Science and Engineering, Xian University of Technology, Xian 710048, China；2. School of Metallurgy Engineering, Xian University of Architecture and Technology, Xian 710055,China) Abstract

15、: The SiC particle reinforced steel matrix surface composite material was prepared by EPC (Expandable pattern casting) penetration processing. The influence of SiC particle sizes on composite qualities was researched. The test and analysis results showed that the sizes of SiC particles were affected by the quality of SiC particle reinforced steel matrix surface composite. The appropriate particles sizes of SiC