纳米TiC增强高铬铸铁铸渗层组织与性能

2014-04-07张林光谢敬佩邵星海王爱琴

河南科技大学学报(自然科学版) 2014年3期

张林光，谢敬佩，邵星海，李炎，王爱琴

（河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471023）

0 引言

近年来，国内外的一些学者利用原位反应法制备出了铁基复合材料［1－2］。但是他们制备的大多是整体复合材料，这种材料虽然耐磨性有所提高，但韧性明显降低，并且成本较高、回收困难。在实际应用中，零件的使用寿命主要取决于其表面层的耐磨性［3］。因此，理想的零件组织应该是零件表面层含有相当数量的增强相颗粒，而其母体仍保持原有的组织和成分，从而使零件表面具有高的耐磨性，而本体仍保持较高的强度和韧性。通过铸渗工艺，在中碳钢表面得到一层耐磨的高铬铸铁铸渗层，具有以上理想零件组织［4－6］。尽管高铬铸铁铸渗层在常温下具有很高硬度和良好耐磨性，但是高铬铸铁存在热疲劳抗力差和脆性大等不足，在高温工作环境下硬度显著下降，耐磨性能显著下降，工作后的磨损破坏仍然非常严重。相关文献报道将WC、TiC等增强颗粒加入到高铬铸铁铸渗层中，进一步提高了表面合金的耐磨性［7－8］。但是将纳米粒径的增强颗粒加入到铸渗层的研究鲜有报道。

纳米材料由于具有独特的机构特征（纳米晶粒及高浓度界面），以及表现出的一系列与常规材料有着本质差异的理化及力学性能，使得纳米材料的研究成为目前材料科学研究的热点［9］。纳米TiC颗粒具有硬度高、熔点高、化学稳定性好、高模量、与金属的膨胀系数小等特点。基于以上考虑，本文采用普通的砂型铸渗工艺在ZG35表面制备纳米TiC-高铬铸铁铸渗层，并对其显微组织和力学性能进行了研究。

1 试验方法及过程

1.1 铸渗层材料的制备

试验材料选用ZG35作为基体金属，合金粉采用纳米TiC（合肥开尔纳米有限公司生产）和40～100目高碳铬铁粉末，硼砂作为溶剂，酚醛树脂作为黏结剂，酒精作为调和剂。将高碳铬铁粉、硼砂和酚醛树脂在搅拌机上充分混合后用酒精调和成糊状，作为铸渗剂1；将加入纳米TiC的高碳铬铁粉（高碳铬铁粉中TiC质量分数为1%）、硼砂和酚醛树脂在搅拌机上充分混合后用酒精调和成糊状，作为铸渗剂2。将铸渗剂涂层编号后分别涂于砂型内壁，点燃烘干后用1580℃的ZG35金属液浇铸。冷却成型后得到具有5～6 mm厚的铸渗层。

1.2 铸渗层的性能测试

在铸件的窄道区域取样，线切割加工成10 mm×10 mm×10 mm方块试样和10 mm×10 mm×0.5 mm（在铸渗层中取样）薄片试样用于显微组织分析。将方块试样磨平抛光用王水腐蚀后，在配有能谱仪（EDAX）的JSM-5610LV扫描电镜（SEM）下进行分析；将薄片试样制备成厚度为50μm以下的φ3 mm透射试样，进行离子减薄之后在JSM2100高分辨透射电子显微镜下观察。将方块试样进行正火处理（870℃下保温1 h后空冷），使用HV-1000型显微维氏硬度计测量其硬度，载荷为5 N，并进行耐磨性测试。

耐磨性能在ML-100型磨料磨损实验机上进行。试样为φ6 mm×20 mm销形试样，配副材料选择240目的水砂纸，加载荷0.35 MPa，每个试样磨损20个回程。磨损螺旋线S由下式计算：

得出0.5个回程的滑动距离S，最终求得每个试样的滑动距离为754.2 m。试验进行前对每个试样进行3 m in预磨，以磨平、磨光端面为标准。磨损试验前后，将试样取下在酒精中用超声波清洗5 m in，干燥后在感量为0.1 mg的光电天平上称量出试样的磨损质量损失。每种成分测量3个试样，并求出质量损失平均值作为该种成分试样的抗磨粒磨损性能指标。

2 试验结果和讨论

2.1 铸渗层微观组织观察与成分分析

图1为试样结合界面处SEM像和能谱线扫描图。图1a中，A区为ZG35钢，C区为铸渗层，在两者之间有一个宽25μm的过渡层（见图1a中B区），结合界面犬牙交错。由图1b和图1c可以看出：合金粉末中的铬元素跨越结合界面向钢液中扩散，钢液中的铁元素跨越结合界面向合金粉末中扩散，结合界面处Fe、Cr元素呈现明显的浓度差。这说明结合界面处的热作用较强烈，涂敷层中的合金颗粒在热作用下熔化、扩散并被钢液稀释，并与钢液互渗从而在结合界面处产生明显的过渡层。通过分析可知：ZG35与表面的铸渗层呈良好的冶金结合。

图1 结合界面处SEM像和能谱线扫描图（A为ZG35钢，B为过渡层，C为铸渗层）

图2为铸渗层组织SEM像。图2a和图2b分别为铸渗剂中不添加纳米TiC和铸渗剂中添加质量分数为1%的纳米TiC的铸渗层组织放大200倍后的SEM像。由图2可看出：当不添加纳米TiC时，组织晶粒较大，碳化物网状分布较为集中；当铸渗剂中加入质量分数1%纳米TiC时，组织达到一定程度的细化，碳化物网状分布较为分散。这主要是由于纳米TiC颗粒属于硬质点，其稳定性好，熔点高达3200℃，高熔点的纳米颗粒在铸渗过程中随着合金元素的扩散，以固态颗粒形态分散于金属液中。纳米TiC颗粒作为硬质形核质点加快了低碳低铬区域的凝固，使得低C低Cr浓度区域和高C高Cr浓度区域间的元素扩散受到了抑制，共晶成分的区域增大，因此，碳化物的数量增多。同时，纳米颗粒可作为外来异质形核，促进了共晶液相大量的非均匀形核并抑制了晶粒的长大。因此，可认为纳米TiC能够起到细晶强化作用，促进碳化物的均匀析出。

细晶强化实质上是晶界强化。晶界是位错运动的障碍，晶界面积愈大，钢的强度愈高；晶粒尺寸愈细，晶界面积愈大，即平均晶粒尺寸愈细，钢的强度愈高。提高晶界本身的强度，也会导致钢强度的提高。细晶强化的理论基础是Hall-Petch公式［10］：

式中，△σG为屈服极限；σ0为晶格摩擦力；d为晶粒直径；ky为与材料有关的参数。

图2 铸渗层组织SEM像

Hall-Petch公式认为结构钢材的主要强化机制是细晶强化。材料的屈服强度取决于使位错源运动所需的力、位错网给予移动位错的阻力和晶界对位错的阻碍大小。晶粒越细小，晶界就越多，障碍也就越大，需要加大外力才能使晶体产生滑移。所以，晶粒越细小，材料的屈服强度就越大。

图3为ZG35与铸渗层结合界面区的透射电子（TEM）像，图3中箭头所指为结合界面，结合界面两侧分别为ZG35区域和铸渗层区域，对结合界面和铸渗层区域进行EDAX分析，结果如表1和表2所示。由表1和表2可看出：结合界面处与铸渗层均有Ti的存在，这说明有纳米TiC颗粒的分布。而且纳米TiC更趋向于分散在界面上（界面处Ti原子分数为0.31%，高于铸渗层侧的0.21%），其活性有助于提高铸渗的效果。

图3 结合界面TEM像

表1 结合界面处EDAX分析

表2 铸渗层EDAX分析

对铸渗层中的基体进行TEM分析，结果如图4所示。通过电子衍射花样标定可知：铸渗层基体为奥氏体，奥氏体中的黑色颗粒为纳米TiC。纳米TiC颗粒作为第二相粒子弥散分布于奥氏体基体中，使奥氏体晶格发生畸变，从而使钢的硬度和强度得到提高，起到弥散强化作用。

图4 铸渗层基体的TEM像和电子衍射花样的标定

2.2 铸渗层显微硬度和磨粒磨损性能检测

铸渗层厚度宏观测定为5 mm左右，图5为铸渗层至ZG35区的硬度测试结果。由硬度测试结果可以看出：从铸渗层表面到ZG35区，铸渗层的硬度为600HV～730HV，呈先增后减趋势。ZG35区的硬度为200HV左右，结合界面处硬度为420HV左右。分析铸渗层至ZG35区的显微硬度变化规律的原因是：铸渗层表面靠近型壁，型壁具有极冷作用，合金粉末未能被钢液余热完全融化，铸渗效果稍差，因而硬度稍低；距离结合界面2～3 mm处，合金粉末浓度适合且完全融化，铸渗效果最好，形成碳化物硬度最高；越靠近结合界面处的合金粉末被钢液稀释程度越大，形成的碳化物硬度缓慢降低。铸渗层的硬度明显高于ZG35，这是由于高碳铬铁粉（主要组成为铁铬碳化物）融化分解后在铸渗层中形成大量高硬度的碳化物。过渡区硬度（430HV左右）介于铸渗层和ZG35之间。加入1%纳米TiC后，铸渗层的硬度提升不明显。

两种材料的耐磨性测试可知：在基材完全相同的情况下，添加1%纳米TiC铸渗层的磨粒磨损量为0.142 0 g，未添加纳米TiC铸渗层的磨粒磨损量为0.122 0 g，添加1%纳米TiC铸渗层的磨粒磨损性能比未添加纳米TiC铸渗层的磨粒磨损性能提高了约14%。原因分析如下：（1）纳米TiC使碳化物晶粒得到细化，且分散更为均匀，起到细晶强化的作用，从而使耐磨性提高；（2）纳米TiC弥散分布于奥氏体基体中，作为硬质耐磨质点，提高铸渗层的耐磨性能。