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作者：張毅       

    在鐵基表面復(fù)合材料中，要求鐵基材料與陶瓷界面牢固結(jié)合，這就要求鐵水或鋼水與陶瓷之間是完全潤(rùn)濕的，而鐵水一般與陶瓷的潤(rùn)濕性差，因此目前常用的無(wú)壓／負(fù)壓浸滲方法不能適用于制備陶瓷／鐵基復(fù)合材料。近年來(lái)國(guó)外公司已經(jīng)研制出金屬基復(fù)合材料耐磨產(chǎn)品，并成功在水泥、電廠等行業(yè)上應(yīng)用。該產(chǎn)品采用高硬高韌陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料生產(chǎn)，復(fù)合層厚度可達(dá)30 mm，陶瓷顆粒與金屬基體界面結(jié)合良好。我國(guó)已有20多家企業(yè)在使用此類產(chǎn)品[10]。本課題采用新型制備方法，通過(guò)選擇大尺寸高硬高韌增強(qiáng)顆粒、改進(jìn)鐵水在陶瓷預(yù)成型體中的引入方式以及優(yōu)化鐵水與陶瓷顆粒之間的潤(rùn)濕行為，制備新型鐵基表面復(fù)合材料，并通過(guò)與砂輪對(duì)磨以及上機(jī)試運(yùn)行，研究該材料的磨損特性。

1  試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

    選用電熔鋯剛玉顆粒為增強(qiáng)材料，其主要指標(biāo)：顆粒粒徑為2～3 mm，顆�；瘜W(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：21%～28%的Al、29%～33%的Z r、余量為O，顆粒的硬度( HRC)不低于70或莫氏硬度9。高鉻鑄鐵作為基體，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2  試驗(yàn)過(guò)程與方法

    新型鐵基表面復(fù)合材料采用預(yù)制陶瓷塊十鑄滲工藝制備，具體工藝見(jiàn)相關(guān)專利技術(shù)[11—13]。陶瓷塊制作好后，放入樹(shù)脂砂型的型腔上部，采用側(cè)面澆注方式澆注高鉻鑄鐵，澆注溫度為1 550～1 570 0C。高鉻鑄鐵通過(guò)滲透、凝固等綜合作用與增強(qiáng)顆粒形成冶金結(jié)合。進(jìn)行了復(fù)合材料襯板的試生產(chǎn)，其中陶瓷層厚度為25 mm左右，陶瓷顆粒在復(fù)合材料襯板中的體積分?jǐn)?shù)約為30%。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察了鐵基表面復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒與鑄鐵基體的結(jié)合情況。

    用洛式硬度計(jì)測(cè)試了鐵基表面復(fù)合材料的硬度。對(duì)兩種材料熱處理前后的試樣分別測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，取其平均值。

    采用手持式砂輪打磨機(jī)，主要工作過(guò)程為用行車懸掛砂輪機(jī)，通過(guò)手柄定位砂輪機(jī)與試樣的位置，此過(guò)程中只控制砂輪機(jī)的位置，不會(huì)給砂輪施加向下的壓力。砂輪機(jī)對(duì)試樣的壓力主要為自身的重力，恒定載荷約為150 N，采用Si C砂輪對(duì)高鉻鑄鐵（熱處理前后）和鐵基復(fù)合材料（熱處理前后）進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)。試樣尺寸為19 mm×10 mm×8 mm，磨損試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1，試樣的19 mm×8 mm面為與砂輪對(duì)磨面。采用掃描電鏡(SEM)觀察了材料的磨損面。為了進(jìn)一步考察復(fù)合材料的耐磨性能，將新型鐵基復(fù)合材料襯板上機(jī)試運(yùn)行，并與高鉻鑄鐵的磨損情況進(jìn)行了對(duì)比。

2  試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1  鐵基表面復(fù)合材料的外觀與顯微組織

    圖2為鐵基表面復(fù)合材料打磨后的表面與縱切面。從圖2中可以看出，鐵基復(fù)合材料中鋯剛玉顆粒分布均勻，從鐵基復(fù)合材料的縱切面照片可以看出陶瓷顆粒復(fù)合層厚度達(dá)25 mm以上。圖3為鐵基表面復(fù)合材料的顯微組織。從圖3中可以看出，鐵基復(fù)合材料中鋯剛玉顆粒與鑄鐵基體界面結(jié)合良好。

2.2  新型復(fù)合材料硬度及其磨損行為

    高鉻鑄鐵熱處理前后的硬度( HRC)分別為44和58，復(fù)合材料熱處理前后的硬度( HRC)分別為41和59。熱處理前復(fù)合材料的硬度略低于高鉻鑄鐵，其原因是復(fù)合材料澆注溫度較高，鑄件在砂型中冷卻速度較慢，容易形成較多硬度偏低的珠光體。復(fù)合材料和高鉻鑄鐵通過(guò)高溫淬火后，形成的組織均為馬氏體十碳化物十殘余奧氏體，因此硬度差別不大。

    熱處理前后試樣經(jīng)30 min磨損后，所得結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，復(fù)合材料的磨損量遠(yuǎn)低于高鉻鑄鐵，高鉻鑄鐵磨痕平均深度為7. 42 mm，且鐵基復(fù)合材料的磨痕深度顯著低于前者。在相同的磨損條件下新型鐵基復(fù)合材料磨損量?jī)H為高鉻鑄鐵材料的22%左右。

圖4為高鉻鑄鐵（熱處理前后）和鐵基復(fù)合材料（熱處理前后）磨損30 min后磨面的SEM形貌。從圖4中可見(jiàn)，鋯剛玉顆粒的磨面并非為平整表面，顯示出自銳性。

2.3新型復(fù)合材料在實(shí)際工況下的磨損行為

    鐵基復(fù)合材料襯板在某型設(shè)備上試運(yùn)行75天時(shí)，其最大磨損處為8 mm左右，相同工況條件下高鉻鑄鐵襯板最大磨損處為15 mm左右；運(yùn)行155天時(shí)，復(fù)合材料襯板最大磨損處為14 mm左右，高鉻鑄鐵襯板最大磨損處為26 mm左右。在相同工況條件下新型鐵基表面復(fù)合材料磨損量?jī)H為目前常用高鉻鑄鐵材料的54%左右。圖5為鐵基復(fù)合材料襯板磨損前后狀況。可以看出，復(fù)合材料中不同深度上增強(qiáng)顆粒均分布均勻。

3  結(jié)  論

    (1)新型鐵基表面復(fù)合材料中，陶瓷增強(qiáng)顆粒與高鉻鑄鐵基體界面結(jié)合良好，復(fù)合層厚度達(dá)25 mm，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有鐵基表面復(fù)合材料復(fù)合層的厚度。

    (2)與砂輪對(duì)磨結(jié)果表明，在相同的磨損條件下新型鐵基表面復(fù)合材料磨損量?jī)H為目前常用高鉻鑄鐵的22%左右。磨損表面的SEM分析表明，陶瓷顆粒的自銳性是新型復(fù)合材料耐磨損的重要原因之一。

(3)上機(jī)試運(yùn)行結(jié)果表明，在相同工況條件下新型鐵基表面復(fù)合材料磨損量?jī)H為高鉻鑄鐵材料的54%左右。

4摘要采用新型制備方法，通過(guò)選擇大尺寸增強(qiáng)顆粒，改進(jìn)鐵水在陶瓷預(yù)成型體中的引入方式以及優(yōu)化鐵水與陶瓷顆粒之間的潤(rùn)濕行為，成功制備了新型鐵基表面復(fù)合材料，其復(fù)合層厚度達(dá)25 mm以上。該材料與砂輪對(duì)磨以及上機(jī)試運(yùn)行的磨損結(jié)果均表明，新型鐵基表面復(fù)合材料磨損量明顯低于目前常用的高鉻鑄鐵材料。