热等静压TiCp/30CrNi4Mo钢基复合材料的组织与性能

付文超，肖志瑜，杨硕，关航健，温利平



热等静压TiCp/30CrNi4Mo钢基复合材料的组织与性能

付文超，肖志瑜，杨硕，关航健，温利平

(华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广州 510640)

采用球磨与热等静压相结合的方法制备TiCp/30CrNi4Mo钢基复合材料，研究材料的显微组织、密度、硬度、常温和高温拉伸性能以及摩擦磨损性能。结果表明，TiCp/30CrNi4Mo钢基复合材料的组织均匀细小，基体组织主要为细片状珠光体、铁素体和少量残余奥氏体，TiC颗粒弥散分布在基体上，与基体结合牢固；复合材料的相对密度高达99.7%，硬度为49 HRC，抗拉强度高达1 266 MPa，伸长率为4.0%；复合材料具有较好的高温力学性能，400 ℃时复合材料抗拉强度仍高达1 135 MPa；在200 N载荷条件下，复合材料的耐磨损性能较原30CrNi4Mo材料提高约4倍，磨损形式主要表现为轻微的磨粒磨损；复合材料经950 ℃水淬和520 ℃回火后，抗拉强度高达1 325 MPa，伸长率为4.6%。

热等静压；TiC颗粒；复合材料；力学性能；热处理

随着现代工业的高速发展，人们对材料综合性能的要求越来越高，材料的复合化已成为当今材料发展的必然趋势，向金属材料中掺入硬质陶瓷颗粒可以使材料同时拥有金属韧塑性好和陶瓷颗粒硬度高、刚度大的特点，从而显示出单一的金属基体或陶瓷所不可比拟的优异性能[1−2]。钢铁材料作为最广泛运用的金属材料具有高的强度、刚度和韧性，同时拥有好的加工性能和优异的可热处理性，向钢铁基体中掺入硬质陶瓷颗粒可极大地扩大其应用范围，尤其是在服役条件苛刻如使用温度高、润滑性差及承载力高等的环境中，因而当前人们对颗粒增强钢铁基复合材料的研究及应用越来越重视，各种颗粒(TiC,WC,NbC,TiB2等)增强的工具钢、高速钢、不锈钢等相继被报道[3−8]。碳化钛(TiC)具有密度小、熔点高(3 150 ℃)、硬度高(2 859~3 200 HV)、抗氧化、耐磨损、热稳定性好等优异的物理化学性能，并且与钢铁基体之间具有良好的润湿性，因而可作为钢铁基复合材料的理想增强体[9]。李小峰 等[10]研究了TiC颗粒增强M2高速钢的耐磨损性能，指出TiC的加入可极大提高基体的耐磨损性能，且TiC含量为10%时表现出最佳的耐磨损性能。AKHTAR 等[7]研究了TiC颗粒强化465不锈钢的显微组织、力学性能及微动摩擦磨损性能，表明复合材料具有优良的耐磨损性能。目前，对颗粒增强钢基复合材料的研究往往注重在耐磨性方面，而对开发高强韧结构件方面研究较少。本研究选用30CrNi4Mo钢作为基体材料，TiC颗粒作为增强相，采用球磨与热等静压相结合的方式制备TiC质量分数为15%的颗粒增强30CrNi4Mo基复合材料，对复合材料的显微组织、常温和高温力学性能及摩擦磨损性能进行研究，以期获得高强韧钢基复合材料，为颗粒增强钢基复合材料的工业化应用提供技术依据。

1 实验

1.1 材料制备

用于制备复合材料的基体材料和增强颗粒分别为自制的水雾化30CrNi4Mo粉末和市售TiC颗粒(<10 μm)。30CrNi4Mo粉末的平均粒度为40 μm，其化学成分及质量分数为：C-0.33%；Cr-1.32%；Ni-3.3%；Mo-0.31%；Si-0.25%；Mn-0.32%；P-0.013%；S-0.005%；余量为Fe。

按质量分数为15%TiC的比例混合30CrNi4Mo粉末和TiC颗粒，在V型高效混料机内混合2 h，然后在QM-2SP行星式球磨机内进行球磨，磨球为直径6~10mm的不锈钢球，球料比为8:1，球磨机转速为226r/min，用高纯氩气作为保护气，球磨时间为20 h。实验使用的热等静压设备为美国ABB公司生产的QIH-15型热等静压机，将球磨好的复合粉末置于热等静压设备中进行烧结，烧结温度为1 100 ℃，压力为100 MPa，保温1 h后随炉冷却。

热处理工艺：将切割好的2块复合材料试样加热至950 ℃保温0.5 h后分别进行油冷和水冷，再加热至520 ℃保温1 h后空冷进行回火处理。

1.2 性能测试

根据阿基米德原理测量复合材料密度，使用HR-150A型全洛氏硬度计测量材料硬度，用Leica金相显微镜观察材料的显微组织。在SANS CMT5105微机控制万能材料试验机上进行拉伸试验，分别对复合材料室温和高温拉伸性能进行测试。利用扫描电镜(SEM)对拉伸断口进行观察，通过透射电镜(TEM)对TiC颗粒与基体的界面结合情况进行观察。

复合材料的摩擦磨损性能测试在环−块式M-2000型摩擦磨损试验机上进行，并与传统铸造30CrNi4Mo基体材料进行对比实验。试样尺寸为10 mm×10 mm×4 mm，对磨环为GCr15材料，硬度为60~62 HRC。实验在干摩擦条件下进行，试验机的转速为200 r/ min，对应的相对滑动速度为0.49 m/s，加载载荷为200 N，磨损时间为30 min。实验前后均用超声波对试样清洗10 min。用精确度为0.1 mg的电子天平称量实验前后的质量，计算试样的质量磨损量。

2 结果与分析

2.1 TiCp/30CrNi4Mo复合材料的显微组织

图1所示为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的金相组织和XRD图谱，从图1(a)中可以看到复合材料的基体组织主要为细片状珠光体、铁素体以及少量的残余奥氏体，TiC颗粒均匀地分布在细小的基体组织上。从图1(b)中可以看到复合材料的物相组成主要为铁素体(Ferrite)相和TiC相，并未产生其它新相，由于XRD仪器精度所限未能检测出渗碳体相。

图2所示为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的TEM照片。图2(a)中区域Ⅰ为TiC颗粒，区域Ⅲ为基体组织，可以看到TiC颗粒与基体结合良好，与基体间没有空隙，同时可以看到经高能球磨作用后，引入了大量晶格畸变能，在高温高压作用下TiC颗粒中的C元素向基体有所扩散，形成区域Ⅱ，这是典型的“环核结构”，此结果与AKHTAR等[7]的研究结果一致，这种“环核结构”也使得TiC颗粒与基体的结合更加牢固。图2(b)为TiC[100]晶带轴电子衍射花样的标定。

图3所示为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料经不同热处理后的XRD图谱，从图中可以看到，热处理前后复合材料的物相组成有明显的区别。经950 ℃水淬和油淬后的复合材料的物相组成主要有马氏体、奥氏体和TiC相，而经520 ℃回火处理后，复合材料的物相组成则主要为铁素体和TiC相。

图1 15TiCp/30CrNi4Mo复合材料金相组织和XRD图谱

图2 15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的TEM照片

图3 不同热处理后的15TiCp/30CrNi4Mo复合材料XRD谱

图4所示为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料经不同热处理后的金相组织，从图4(a)和4(b)中可以看到950 ℃水淬和油淬后的复合材料基体组织均由极细小的板条状马氏体和残余奥氏体组成，可以发现油淬后复合材料中的残余奥氏体数量较多，这可能是因为复合材料在油中的冷却速度较慢，导致残余奥氏体数量较多；经520 ℃回火后，复合材料中的马氏体衍射峰和奥氏体衍射峰基本消失，而在图4(c)和4(d)的金相组织中可以看到复合材料的基体组织主要为细小的回火索氏体，说明板条状马氏体和残余奥氏体分解形成铁素体和渗碳体。

2.2 TiCp/30CrNi4Mo复合材料的物理力学性能

表1所列为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料热处理前后的主要物理力学性能。从表中可以看到在等静压力作用下，复合材料致密度高达99.7%，近乎全致密，同时大量TiC的加入降低了复合材料的绝对密度，使复合材料相对于钢铁材料具有轻质的特点。细小的TiC颗粒与基体结合牢固，强化效果明显，复合材料硬度达49 HRC，抗拉强度达1 266 MPa，增强颗粒的加入不可避免地会急剧降低复合材料的伸长率，因而复合材料的伸长率仅为4.0%。

图4 不同热处理后的15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的金相组织

表1 15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的物理力学性能

图5所示为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的拉伸断口SEM照片，从图中可以看到TiC颗粒与基体结合良好，起到很好的强化作用。断裂路径通过TiC颗粒，呈解理断裂，而基体存在许多细小的韧窝，表现出韧性断裂。

图6所示为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的高温拉伸强度与温度的关系，从图中可以看到随温度升高，复合材料的抗拉强度开始时下降较为缓慢，表现出良好的高温拉伸性能，这是由于耐高温的TiC颗粒可阻碍位错移动，限制基体的塑性流变，减弱基体在高温下发生的软化过程[11]；但当温度达到500 ℃时，复合材料的抗拉强度开始急剧下降，当温度达到600 ℃时，复合材料的抗拉强度仅为561 MPa，这可能是由于当温度较高时，基体软化剧烈，TiC颗粒与基体结合减弱，大量TiC颗粒开始与基体发生界面脱离，裂纹沿界面快速扩展使得复合材料快速断裂，抗拉强度急剧下降。

图5 15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的拉伸断口SEM照片

图6 15TiCp/30CrNi4Mo复合材料高温拉伸强度与温度的关系

Fig.6 Relationship between tensile strength and temperature of 15TiCp/30CrNi4Mo composites

表2所列为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料热处理后的主要室温力学性能，可以看到经水淬+回火后复合材料的力学性能有较大的提升，硬度达55 HRC，抗拉强度达1 325 MPa，伸长率达4.6%，这是因为热处理后复合材料的基体组织转变为极细小的回火索氏体组织，复合材料的抗拉强度大大增加；但同时发现复合材料的伸长率提升较少，这主要是由于TiC颗粒的存在限制了基体的塑性变形，使得复合材料的伸长率较低[12]；对于油淬+回火后的复合材料，由于冷却速度较慢，使得残余奥氏体数量较多，复合材料的抗拉强度有所降低。

表2 热处理后15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的主要力学性能

表3所列为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料和原铸造30CrNi4Mo材料的质量磨损量和摩擦因数。从表中可以看到复合材料的质量磨损量较原铸造30CrNi4Mo材料有大幅降低，仅为原铸造30CrNi4Mo材料的1/4左右，耐磨损性能有极大提高，这主要因为大量耐磨损的TiC颗粒突出于基体，与对磨副优先接触起到承载作用，对基体有很好的保护作用[13]。同时可以看到复合材料的摩擦因数较原铸造30CrNi4Mo材料有所提高，这主要是因为复合材料表面的TiC颗粒突出于基体而形成更多的粗糙峰，摩擦阻力更大，摩擦因数较高。

图7所示为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料和原铸造30CrNi4Mo材料的磨损表面形貌图。从图中可以看到复合材料磨损表面平整，无严重塑性变形，仅存在少量的细小犁沟，磨损形式主要表现为轻微的磨粒磨损；而原铸造30CrNi4Mo材料磨损表面塑性变形严重，犁沟更宽更深，粘着磨损严重，磨损形式主要表现为严重的磨粒磨损和粘着磨损。

表3 15TiCp/30CrNi4Mo复合材料和原铸造30CrNi4Mo材料的质量磨损量和摩擦因数

图7 15TiCp/30CrNi4Mo复合材料与原铸造30CrNi4Mo材料的磨损表面形貌图

表4所列为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料经不同热处理后的质量磨损量，从表中可以看到经热处理后复合材料的质量磨损量都有所降低，特别是水淬后的复合材料质量磨损仅为2.1 mg，这是因为形成的马氏体组织硬度高，使复合材料硬度得以提高，同时马氏体组织与TiC颗粒的结合强度更高，使复合材料的耐磨损性能提高。回火后的复合材料硬度也较未处理的HIP复合材料的硬度高，材料的磨损量与其硬度具有一定的关系：V=kPL/H，H为硬度[14]，因而复合材料质量磨损量随硬度增加而减少，磨损量仅为2.5 mg。

图8所示为15TiCp/30CrNi4Mo复合材料经不同热处理后的磨损表面形貌图，从图中可以看到HIP复合材料的磨损表面均非常平整，无明显塑性变形，仅存在少量细小的犁沟，磨损形式主要为轻微的磨粒磨损，表现出良好的耐磨损性能。

3 结论

1) 热等静压制备的15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的基体组织为细片状珠光体、铁素体和少量残余奥氏体，TiC颗粒与基体结合牢固，形成典型的“环核结构”。

2) 热等静压制备的15TiCp/30Cr Ni4Mo复合材料相对密度高达99.7%，同时其硬度达49 HRC，抗拉强度高达1 266 MPa，伸长率为4.0%；复合材料具有较好的高温力学性能，400 ℃时复合材料的抗拉强度仍有1 135 MPa；在200 N载荷条件下，复合材料的耐磨损性能较原铸造30CrNi4Mo材料提高4倍左右。

表4 不同热处理后15TiCp/30CrNi4Mo复合材料的质量磨损量

图8 不同热处理后15TiCp/30CrNi4Mo复合材料磨损表面形貌

3) 经950 ℃水淬和520 ℃回火后15TiCp/30Cr Ni4Mo复合材料的综合性能得到提高，抗拉强度达 1 325 MPa，伸长率达4.6%。

（4）可通过加强人文主义教育，加强思想政治理论课学习、社会主义核心价值体系实践教育，建设网络思想政治教育平台等措施开展医学生思想政治教育工作。

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(编辑 高海燕)

Microstructure and properties of TiCp/30CrNi4Mo steel-based composites prepared by hot isostatic press

FU Wenchao, XIAO Zhiyu, YANG Shuo, GUAN Hangjian, WEN Liping

(National Engineering Research Center of Near-net-shape Forming for Metallic Materials, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

TiCp/30CrNi4Mo steel-based composites were prepared by ball milling and hot isostatic press (HIP). The physical and mechanical properties, including density, hardness, tensile strength at room temperature and high temperature, and wear resistance of composites were investigated. Results show that the composite has fine microstructure with uniform distribution of TiC particles. The TiC particles have a good bonding with the matrix which composed of pearlite, ferrite and a little residual austenite. The relative density, tensile strength, elongation and hardness of the composite are 99.7%, 1 266 MPa, 4.0% and 49 HRC, respectively. The tensile strength of the composite still reaches 1 135 MPa at 400 ℃, showing good high temperature mechanical property. The wear resistance of the composite increases by 4 times compared with 30CrNi4Mo steel under a load of 200 N. The strength and elongation of the composite reach 1325 MPa and 4.6% after water quenching at 950 ℃ and tempering at 520 ℃.

hot isostatic press; TiC particulate; composites; mechanical property; heat treatment

TF124.32

A

1673−0224(2016)04−534−07

国家自然科学基金资助项目(51274103)；广东省科技计划项目(2013B010403001，2015A030312003)

2015−06−24；

2015−12−08

肖志瑜，教授，博士。电话：020-87110099；E-mail: zhyxiao@scut.edu.cn