金属陶瓷-锰钢复合材料的制备及磨损机理＊

张长涛,谢敬佩,卢洪波,黄先波,王文焱,王爱琴

(1.河南科技大学材料科学与工程学院,河南 洛阳 471003;2.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室,河南 洛阳 471003;3.郑州鼎盛工程技术有限公司,河南 郑州 450000)

金属陶瓷-锰钢复合材料的制备及磨损机理＊

张长涛1,2,谢敬佩1,2,卢洪波3,黄先波3,王文焱1,2,王爱琴1,2

(1.河南科技大学材料科学与工程学院,河南 洛阳 471003;2.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室,河南 洛阳 471003;3.郑州鼎盛工程技术有限公司,河南 郑州 450000)

通过扫描电镜对金属陶瓷-锰钢复合材料的组织、结合情况和磨损形貌进行了研究,并探讨了复合材料的结合和磨损机理.实验结果表明:烧结金属陶瓷和锰钢的结合为冶金结合;金属陶瓷磨损形貌为少量的犁沟.

复合材料;冶金结合;磨损机理

高锰钢作为耐磨材料,广泛应用于冶金、矿山、建材及铁路等机械装备中[1-5].本文采用金属陶瓷增强高锰钢基体,获得了耐磨性能较好的高锰钢-金属陶瓷复合材料.

1 实验材料与方法

基体材料为M n13,化学成分列于表1,采用500 kg中频感应电炉熔炼,熔炼好后,将钢水浇入预先放有硬质合金块的铸型中,在母液强烈的热作用下,金属陶瓷块与母液接触的界面上在一定时间内处于高温状态并发生元素的相互扩散,冷凝后,金属陶瓷块与母材结合为一体.

将复合材料在SX-4-12型高温箱式电炉中进行热处理,1050℃,保温4 h,然后进行350℃回火[6-8].

表1 高锰钢和金属陶瓷成分Table 1 Composition of highmanganese steel andmetal ceramicsw/%

2 实验结果及分析

2.1 复合材料的组织

复合材料的组织形貌如图1所示.由图1(a)可见,金属陶瓷的组织分布均匀,深灰色的硬质颗粒大小均匀,没有出现明显的团聚;由图1(b)可见,高锰钢与金属陶瓷的结合处看不到任何结合缝隙,说明两种材质结合得很好,靠近金属陶瓷部位的基体也无微裂纹;由图1(c)可见,高锰钢基体的晶粒不粗大,大小相对均匀,碳化物呈细小的弥散分布,这对提高基体的耐磨性有利.

2.2 磨损形貌及机理

图2是复合材料磨损后的形貌.由图2(a)可见,高锰钢基体的磨损主要是以较深、较宽的犁沟为主,这是由于高锰钢较软,初始阶段,在硬磨粒的切削作用下产生了犁沟.但在硬磨粒的持续作用下,高锰钢基体会产生加工硬化,阻碍了材料的磨损.图2(b)是基体和金属陶瓷结合部位的磨损形貌,由图2(b)可见,基体上的犁沟穿过了结合处,在过渡到金属陶瓷体上面时,犁沟变浅,长度变短,数量变少.这是由于金属陶瓷具有较高的硬度,能够抵抗硬磨粒的挤压和磨损.由图2(c)可见,金属陶瓷上的磨损以浅、短的犁沟和凿削磨损为主,由于硬质相能够抵抗磨粒的磨损,增强了材料的耐磨性.

图1 组织图片Fig.1 Images of the microstructure

图2 复合材料的磨损形貌Fig.2 Wear morphology of composite

2.3 结合情况和结合机理

图3为高锰钢与金属陶瓷结合处的形貌.从图3(a)可见,高锰钢与金属陶瓷的结合处呈犬牙交错状,结合紧密,没有空隙;靠近基体处的金属陶瓷硬质相的分布较疏,有部分高锰钢在高温的作用下与被熔化的金属陶瓷结合并嵌入到金属陶瓷中.这是由于高温的高锰钢液体将部分金属陶瓷熔化,然后重新结晶.从图3(b)中可以看出,在高锰钢和金属陶瓷结合处的中间有一断续的、不同于两侧组织特征的微区,该区域的范围较小,只有几微米厚,这说明高锰钢与金属陶瓷的结合为冶金结合.

图3 高锰钢与金属陶瓷的结合情况Fig.3 The combination of high manganese steel and metal ceram ics

2.4 碳化物的类型

图4是采用美国EDAX公司生产的Falcon型能谱仪对沿晶界分布的碳化物进行分析的能谱图.由图4可知,沿晶界分布的块状碳化物为Cr,M n和V的复合碳化物.经热处理后的高锰钢中的碳化物主要有两类:一是在水韧处理过程中没有固溶进奥氏体中的碳化物;二是在弥散强化过程中,从奥氏体中析出的碳化物.网状沿晶界分布的碳化物会减弱晶粒之间的结合强度,不利于材料性能的提高.

图4 碳化物 EDS分析结果Fig.4 EDS analysis results of carbide

3 结 论

在高温作用下,高锰钢基体与金属陶瓷的结合为冶金结合;高锰钢基体的磨损形貌为较深的犁沟,而金属陶瓷为少量的较浅犁沟和疲劳磨损,结合区域的犁沟在由基体过渡到金属陶瓷上时由深变浅;沿晶界分布的块状碳化物类型为Cr,M n和V的复合碳化物.

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Study on the preparation and abrasion mechan ism of metal ceram ic-manganese steel composite

ZHANGChang-tao1,2,XIE Jing-pei1,2,LU Hong-bo3,HUANG Xian-bo3,WANGWen-yan1,2,WANG Ai-qin1,2
(1.College of M aterials Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.Henan Key Laboratory of A dvanced N on-ferrous M eta ls,L uoyang 471003,China;3.Zhengzhou D ingsheng Engineering Technology Co.,L td.Zhengzhou 450000,China)

The m icrostructure and w ear mo rphology of metal ceramic-manganese steel composite w ere researched by SEM,and the com bination and w earmechanism of compositematerialswere studied in this paper.The experiment results show that the connection of sintered metal ceramics and manganese steel is metallurgical bond,and the wear morphology of metal ceramics show s less amount of p lough groove.

composite materials;metallurgical bond;wear mechanism

1673-9981(2011)01-0021-03

TF741.7;TH117.1

A

2010-11-04

河南省杰出人才创新基金资助项目(0621000600);河南科技大学科研基金(2006ZY053)

张长涛(1984—),男,河南周口人,硕士研究生.