两种纳米陶瓷粉体强化ASTM G2500的性能

王艳亮，杨军，严进，陈美玲

(1.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028;2.西安财经学院 统计学院，陕西 西安710100)*

0 引言

ASTM G2500是铸造生产中最常见的一种铸造合金，凭借其良好的铸造性能，成本低等优点，在工业生产中得到广泛的应用.同时由于ASTM G2500中的石墨以片状形式存在，使其有良好的耐磨性、减震性和较低的缺口敏感性，被广泛用于机床机身、钻井机油泵叶片等需要减震耐磨的场合.试验所用陶瓷粉体是一种典型的强共价键化合物材料，具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高硬度、高弹性模量、高热导率、高温强度好、热膨胀系数小、抗热震性好等优点，已经在很多领域尤其是在航空航天、机械、冶金、能源、环保、化工、医学、电子、军工等高尖端技术领域得到了广泛的应用，作为颗粒增强体也常被用在金属基复合材料的制备中［1-3］.

为了进一步提高ASTM G2500的力学性能，采用两种纳米陶瓷粉体，以普通ASTM G2500为试验材料，在生产条件下制备ASTM G2500试样，研究了添加纳米陶瓷粉体后ASTM G2500的显微组织和力学性能.

1 试样材料和方法

试验所用原材料为ASTM G2500，其化学成分如表1所示，熔炼温度为1 550℃，包内孕育(硅铁孕育剂，加入量0.15%).铁液出炉前，将不同质量分数的纳米陶瓷粉体置于浇包底，用熔化的铁液冲入，无需搅拌，保温静置，然后进行砂型浇注，浇注温度为1 380℃，然后冷却得到 ASTM G2500试样.试验所用的纳米陶瓷粉体A、B的加入量如表2所示.

表1 ASTM G2500的化学成分 %

表2 纳米陶瓷粉体A、B的加入量

用ZEISS显微镜(OLYMPUSBX-51)观察其石墨形态，并在4%硝酸酒精溶液腐蚀后观察其强化材料的基体组织.

室温拉伸试验在液压式万能试验机(WE300)上进行，拉伸试样的尺寸符合国家标准GB T6397 1986;硬度试验在布氏硬度试验机(HB3000)上进行.

2 金相组织和分析

2.1 添加纳米陶瓷粉体A的铸态金相分析

铸态金相组织如图1所示.由图1可见，添加纳米陶瓷粉体前后ASTM G2500中的石墨均以A型石墨为主，未添加纳米陶瓷粉体A的试样里石墨分布比较凌乱，不太规则;添加了纳米陶瓷粉体A的试样石墨明显变细，同时石墨线条有所减小，并且分散均匀;同时随着纳米陶瓷粉体A的添加量不同石墨细化的现象更为明显.

图1 添加纳米陶瓷粉体A铸态金属的石墨形态及基体组织(200×)

除石墨的形态有变化外，试样的基体组织也有变化，经过4%硝酸酒精溶液腐蚀后基体组织如图1所示.ASTM G2500的基体组织由珠光体和铁素体组成，与未添加纳米陶瓷粉体A的试样相比，加入纳米陶瓷粉体A后，基体组织中铁素体的含量明显增多.

2.2 添加纳米陶瓷粉体B的铸态金相分析

铸态金相组织如图2所示.由图2可见，未添加纳米陶瓷粉体B的试样石墨分布比较不规则，且形状大小不均匀;添加了0.05%纳米陶瓷粉体B以后石墨的形状变大，分布有了一定方向性，且数量减少;添加量达到0.15%时石墨的形状有细化的现象，同时石墨的端部有锐化的趋势.

经过4%硝酸酒精溶液腐蚀后基体组织如图2所示.与未添加纳米陶瓷粉体B的试样相比，加入纳米陶瓷粉体B后，基体组织中珠光体的含量明显增多，其中以B5的珠光体基数为最大.

图2 添加纳米陶瓷粉体B铸态金属的石墨形态及基体组织(200×)

3 力学性能分析

3.1 添加纳米陶瓷粉体A的力学性能

图3 纳米陶瓷粉体A不同添加量对试样力学性能的影响

由图3可知，加入纳米陶瓷粉A并没有明显提高ASTM G2500的力学性能，纳米陶瓷粉体A含量为0.05%时，其抗拉强度和硬度均有所降低，抗拉强度降低12.78%，硬度降低10.87%;纳米陶瓷粉体A含量为0.15%时，其抗拉强度略微提高6.67%，硬度降低8.36%.这与金相组织中珠光体含量降低，铁素体含量升高的趋势基本一致.

3.2 添加纳米陶瓷粉体B的力学性能

由图4可知，加入纳米陶瓷粉体B能够提高ASTM G2500的力学性能，纳米陶瓷粉体B含量为0.05%时，试样的抗拉强度提高10.76%，硬度提高1.63%;纳米陶瓷粉体B含量为0.15%时，试样的抗拉强度提高12.97%，硬度降低1.63%.这与金相组织中珠光体含量升高，铁素体含量降低的趋势基本一致.

图4 纳米陶瓷粉体B不同添加量对试样力学性能的影响

4 结论

(1)添加纳米陶瓷粉体A的试样其石墨短小，分散均匀，并随着粉体A添加量的增多石墨变细，同时基体组织中出现了相对较多的铁素体;试样的抗拉强度有变化，添加量为0.05%时降低12.78%，添加量为0.15%时提高6.67%;硬度均有所降低，添加量为0.05%时降低10.87%，添加量为0.15%时降低8.36%;

(2)添加纳米陶瓷粉体B的试样其石墨分布有一定的方向性，还出现了细化和端部锐化的现象，并且试样的基体组织中珠光体数量都有增加;试样的抗拉强度均增加，添加量为0.05%时提高10.76%，添加量为0.15%时提高12.97%;硬度变化不大，添加量为0.05%时提高1.63%，添加量为0.15%时降低1.63%.

［1］朱正吼，陈其善.铸造SiC/钢基复合材料中粒子分布特点［J］.热加工工艺，1995(2):8-9.

［2］樊振军，汪翔，刘君武，等.SiC颗粒对烧结铁基复合材料性能的影响［J］.合肥工业大学学报，2001，24(6):1079-1082.

［3］刘君武，丁厚福，郑治祥.SiCp/Fe复合材料断口分析［J］.理化检验—物理分册，2003，39(4);184-187.

［4］杨军，高宏，翟玉春.用改性纳米SiC粉体强化灰铸铁性能的研究［J］.现代铸铁，2009:28-30.

［5］李建卫，陈美玲，高宏.改性纳米SiC粉体强化球墨铸铁的耐磨损性能［J］.润滑与密封，2007(4):47-49.