原位生成（Fe，Cr）7C3/Fe复合材料的磨料磨损性能

陈 哲，康 猛，叶芳霞，王亮亮，钟黎声，燕映霖

（西安建筑科技大学机电工程学院，耐磨材料研究所，西安 710055）

0 引 言

金属基复合材料高的强度、硬度、刚度以及优良的耐磨损、耐腐蚀性能受到科研工作者的广泛关注，并成为复合材料研究的重要方向［1－3］。利用原位反应法制备颗粒增强金属基复合材料是目前金属基复合材料（MMCS）研究领域的热点之一，采用该方法制备的增强相具有高的硬度和弹性模量，并具有良好的热力学稳定性以及尺寸细小、分布均匀、界面洁净与基体结合良好等特点，从而达到强化金属基体的目的［4－6］。原位生成的（Fe，Cr）7C3增强颗粒具有高的硬度（1 300～1 800HV）［7］，且其原材料丰富，成本低，在低应力和高应力磨料磨损领域得到广泛应用，具有良好的发展前景。

目前，关于Cr7C3或（Fe，Cr）7C3颗粒增强铁基复合材料的研究很多［8－10］。这些研究基本是以粉体为原料来制备 M7C3或（Fe，Cr）7C3颗粒增强铁基复合材料的，而康猛［11］等采用纯铬丝与灰铸铁为原料，通过原位反应生成了（Cr，Fe）7C3，制备出具有高体积分数的（Cr，Fe）7C3/Fe复合材料，并研究了不同保温时间下组织的变化特征，但未对其耐磨性作深入研究。因此，作者在其试验基础上制备了含有不同体积分数（Cr，Fe）7C3增强体的铁基复合材料，并对其进行磨料（Al2O3）磨损试验，对其磨损性能做了较为深入的研究。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

利用HT250灰铸铁（化学成分见表1）与纯铬丝（纯度大于99%，直径为1.0mm）原位反应制备（Fe，Cr）7C3/Fe复合材料，使纯铬丝提供的铬原子与灰铸铁提供的碳原子在高温下扩散、反应并生成（Fe，Cr）7C3硬质颗粒。具体方法：先按一定成分配比计算出所需HT250灰铸铁及纯铬丝的质量，然后用电火花切割机将HT250灰铸铁切割成柱状通孔（孔直径为1.0mm）的试样，如见图1所示；将纯铬丝直接镶嵌入HT250灰铸铁基体中，通过调整铬丝的根数（10，12，14，16根）来调节复合材料中的铬含量，分别制备出铬含量（质量分数，下同）为15%，17%，20%，23%的复合预制体；再将复合预制体置于石墨坩埚中，在GSL-1400X型管式加热炉内加热，加热温度为1 220℃，保温30min后出炉空冷，氩气流量为5mL·min－1，制备的复合材料分别记为S1、S2、S3、S4试样。

表1 HT250灰铸铁的化学成分 （质量分数）Tab.1 Chemical composition of gray pig iron HT250（mass） %

图1 试样的尺寸及形状Fig.1 Size and shape of the sample

1.2 试验方法

用电火花切割机将上述制备的试样以及HT250灰铸铁、BTM20Cr高铬铸铁切割成6mm×20mm的磨损试样，用超声波清洗后放入干燥箱烘干，然后在ML-100型干式销盘磨损试验机上进行磨损试验，载荷选择5，10，15，20N，磨料选用粒径124μm的石英（Al2O3）砂纸，圆盘转速60r·min－1，每次持续2min。用天平称取试样磨损前后质量，计算试样磨损量即磨损前后的质量差。

用D/max-RB型X射线衍射仪（XRD）测试样的物相组成；用JST-6700F型扫描电镜（SEM）观察试样的显微组织，腐蚀液为体积分数为4%的硝酸酒精溶液；用HVT-1000型显微硬度计测试样的维氏硬度，取5个点的平均值。

用Image-Pro Plus 6.0软件测定复合材料中（Cr，Fe）7C3碳化物的体积分数，方法如下：将待测复合材料组织照片导入Image-Pro Plus 6.0软件，先选定所需视场，设其总面积为AT；然后测出待测颗粒的总面积为Aα，则面积分数AA＝Aα/AT；最后取适当倍数下的N个视场进行测定，取其平均值作为碳化物的体积分数。

2 试验结果与讨论

2.1 物相组成

由图2可以看出，所制备复合材料的主要物相为（Fe，Cr）7C3碳化物、铁 素 体 （α-Fe）及奥氏体（γ-Fe），且无纯金属铬的特征峰。这说明，经过30min的保温，金属铬已完全溶解并与基体中的碳发生了原位反应，反应完全。

2.2 显微组织及硬度

通过软件测得S1、S2、S3、S4试样的碳化物体积分数分别为37%，46%，62%，71%。

由图3可以看出，随试样中铬含量的增多，碳化物的体积分数逐渐增大。

图3 不同试样的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of different samples：（a）sample S1；（b）sample S2；（c）sample S3and（d）sample S4

从表2中可以看出，随复合材料中碳化物体积分数的增加，复合试样的平均显微硬度也随之增大，S4试样的最高，为1 453HV0.1。

表2 不同试样的显微硬度Tab.2 Microhardness of different samples HV0.1

2.3 磨损性能

由图4可见，随碳化物体积分数的增加，试样的磨损量先减小然后略有增加；S3试样的磨损质量最小，S4试样的磨损质量较之略有增加。可见，在氧化铝砂纸磨损条件下，S3试样的耐磨性最好。

图4 在5N载荷下不同试样的磨损量Fig.4 Wear mass loss of different samples at the load of 5N

增强相（碳化物）在复合材料中所占的体积分数不是越大越好的，增强相的体积分数越大，基体所占比例就越小，从而使得基体对增强相的支撑固结作用越来越弱，在磨料对增强颗粒的冲击力作用下，增强颗粒与基体的结合面更易受到破坏，而使破碎颗粒剥落。当碳化物体积分数从62%增至71%时，复合材料的硬度从1 400HV增至1 453HV，增幅不是很大，所以依靠磨料颗粒对材料的切削、犁削作用而产生的磨损量也应该不会相差太大，而且碳化物体积分数为71%时复合材料的磨损量应该比62%时的小，但实际情况并非如此。这是因为，在载荷为5N时，（Fe，Cr）7C3颗粒在Al2O3磨料颗粒的冲击作用下破碎，因基体材料所占比例较少时，破碎颗粒会从基体中发生剥落而造成磨损量增加，所以碳化物体积分数为71%时复合试样的磨损量比62%时的又略有增加。

从图5的低倍形貌可见，经Al2O3砂纸磨损后，4个试样均产生了切削及犁削磨损，磨损表面均存在均匀且连续的犁沟。这主要是由于高硬度的Al2O3磨料颗粒在5N载荷下能够较深地压入复合材料中，并在磨损过程中切向力的作用下划过复合材料表面，对材料产生切削及犁削作用，形成明显的犁沟。另外，S1、S2、S3试样磨损面的犁沟上均存在一些与磨损方向垂直的微小凹坑，使犁沟有明显的凹凸感，S4试样上的犁沟凹凸感没有其它三个试样的明显，但在一些犁沟上可以看到有凹坑存在。

图5 不同试样在5N载荷下磨粒磨损后的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of samples S1－S2at low （a，c，e，g）and high（b，d，f，h）magnifications after abrasive wear test at the load of 5N

对比磨损形貌的局部放大图可以看出，随试样中碳化物体积分数的增多，犁沟上凹坑的宽度及深度都有所减轻，S4试样上无明显的凹坑。S1试样中碳化物的体积分数为37%，相对而言基体所占比例较多，故而单位面积上增强相碳化物颗粒所占比例较少，颗粒间的距离较大。在Al2O3磨料颗粒压入基体并产生相对运动时，由于基体与增强相的硬度不同，磨料颗粒在基体及增强相上的压入深度不同，因此，就会在犁沟上形成明显的凹坑。S4试样上一些凹坑分布于磨损表面的犁沟上。这些凹坑是由于增强颗粒的剥落而造成的，由于碳化物体积分数过高时，基体的减少将会减小基体对碳化物的支撑及固结作用，同时使基体吸收能量以及减缓外力对颗粒的冲击作用相对减弱，容易造成破碎颗粒剥落。

由图6可见，S2试样受到了明显的切削作用，破碎的碳化物颗粒分布于犁沟中，很明显磨料将基体及碳化物增强颗粒一同切削掉。可见，在硬磨料磨损条件下，（Fe，Cr）7C3增强相对基体不能起到很好的增强作用。

从图7可以看出，在不同载荷下，HT250灰铸铁的磨损量远高于复合材料及BTM20Cr高铬铸铁的，且不在一个数量级上。而复合材料与高铬铸铁的磨损量无太大的差别，说明在硬磨料条件下，这两者的磨损性能相当。

图6 在5N载荷磨损后S2试样纵截面的SEM形貌Fig.6 SEMmorphology of longitudinal section of sample S2worn at the load of 5N

图7 不同材料的载荷与磨损量关系曲线Fig.7 Wear mass loss vs load for different materials

由图8可以看出，在20N载荷下HT250灰铸铁上的切削痕最为明显，BTM20Cr高铬铸铁与复合材料S3试样上均为较细小的切削痕，且差别不大。另外，从HT250灰铸铁的磨损形貌可以看到，一些与磨损方向垂直的裂痕分布于基体上。这是由于灰铸铁基体相对硬度较低，磨料颗粒压入较深，在磨损过程中塑性基体产生加工硬化现象而变脆，在切向力的作用下发生撕裂。复合材料及BTM20Cr高铬铸铁上除了有切削痕外，还分布着一些由破碎颗粒剥落而形成的剥落坑，并且复合材料上的剥落坑明显多于BTM20Cr高铬铸铁上的；同时从图8（d）可以看出，在Al2O3的作用下，BTM20Cr高铬铸铁中的大部分碳化物增强相是与基体一同被切削掉的。

图8 20N载荷下不同材料的磨粒磨损形貌Fig.8 Abrasive wear morphology of composites（a）（b），BTM20Cr high-chromium iron（c）（d），and HT250grey iron（e）（f）at low and high magnifications at the load of 20N

3 结 论

（1）通过调整铸铁中铬丝的根数，可以原位反应制备出不同含量（Fe，Cr）7C3颗粒增强铁基复合材料。

（2）在Al2O3硬磨料条件下，载荷为5N时，碳化物体积分数为62%的复合材料的耐磨性最好；各试样的磨损均是由于磨料颗粒对材料进行切削造成的，对于碳化物体积分数为71%的复合材料而言，还包括一些破碎增强颗粒的剥落。

（3）碳化物体积分数为62%的复合材料与HT250灰铸铁及BTM20Cr高铬铸铁在相同的磨损试验条件下，磨损量均随载荷的增加而增大；该复合材料的磨损量与BTM20Cr高铬铸铁的较为接近，而铸铁的磨损量最大。

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