颗粒增强钢铁基复合材料的研究现状

王振兴 ，李春海 ，谭建波

（1.河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省材料近净成形技术重点实验室，河北石家庄 050018；3.石家庄工业泵厂有限公司，河北石家庄 050100）

科技水平不断提高，对材料的性能需求也日趋增高。普通的钢铁材料已经不能适应复杂的工作环境。在种类繁多的新材料中，金属基复合材料凭借其高强度、高弹性模量、良好的高温性能和抗疲劳性能、良好的耐磨性和尺寸稳定性、不吸湿、不老化等优点，成为近年来研究的热点[1-6]。

钢铁基复合材料耐磨性十分优良，在耐磨损领域中占有重大地位，比如传统耐磨材料就有锰、铬、镍、钼、钒等元素含量较高的铸钢、铸铁等，例如：高铬铸钢、球墨铸铁。因此，在新型的钢铁基复合材料研究中，使其生产更加简便，应用领域更加广泛，更经济实用是科研工作者的研究重心，其中与纤维增强钢铁基复合材料相比，颗粒增强钢铁基复合材料具有制造成本低、各向异性小、容易成型、后续加工方便等优点[7]，在各个领域中会占据更重要位置。

在颗粒增强基复合材料研究方面包括陶瓷颗粒为强化相制备整体复合材料或表面耐磨涂层已取得初步成果。在科研工作者不懈研究下，成功制得了多种钢铁基复合材料。如 B.S.Terry，O.S.Chinyamakobvu[8]和国内张登科[9]等都利用原位合成法制备出（Ti，W）C颗粒增强的钢铁基复合材料；长谷川正义[10]利用喷射 弥散法生产出弥散强化合金；陈贞军[11]用机械合金化方法制备出表面SiC复合材料；Fang Wen[12]采用高温自蔓延技术制备出Tic/Fe的复合涂层；管丹丹[13]用粉末冶金法制备出奥氏体316L不锈钢基复合材料。

1 钢铁基复合材料性能研究

1.1 耐磨性能

复合材料的力学性能取决于加入的增强相，其中包括颗粒的物理参数[14]：密度、硬度、弹性模量、断裂韧性、热稳定性、热膨胀系数等。除此外，颗粒的尺寸、在基体分布均匀度和颗粒所占体积分数，增强相与基体金属液间的润湿特性以及在基体的分布方式等对性能也会有较大影响。一般来说，用不同方法制备颗粒增强的复合材料的耐磨性及硬度都会有不同程度的提高。

刘相熠[15]等通过利用内生法将碳粉、铁粉、钛粉制备预制体，浇注高铬铸铁金属液得到TiC增强铁基复合材料的三体磨损性能是基体金属的1.75倍，且硬度也得到提高。董晓蓉[16]等利用铸造烧结法制备（Ti，W）C表面增强Cr26高铬铸铁复合材料，经测试复合材料的耐磨性比Cr26高铬铸铁提高了1.2倍。此法在球磨机衬板，板锤锤头、切削用刀头等领域应用较多。郭远博[17]等通过原位合成法制备的TiB2颗粒增强铁基复合材料抗拉强度较基体金属提高22%，此法制备的复合材料在汽车零件轻量化领域得到应用。侯占东[18]等通过无压浸渗法制备锆刚玉增强铁基复合材料抗磨损性能比高铬铸铁基体提高了4倍，他将此法应用到立磨磨辊的工作面，延长了磨辊表面的使用寿命。王娟[19]等通过铸渗法制备ZTA（ZrO2增韧Al2O3）增强铬铁基复合材料在900℃的高温磨损性能提高到基体4倍左右，此法在高温耐磨领域得到广泛应用。

1.2 硬度

复合材料的硬度很大程度上取决于基体的材质，但加入增强相的体积分数也会对硬度产生影响。通常复合材料的硬度随颗粒体积分数的増加表现为线性增长。F.Akhtar[20]等人通过粉末冶金外加颗粒法制备了体积分数分别为50%，60%，70%的TiC增强465不锈钢复合材料，其硬度分别为85.0HRA，87.0 HRA，88.5 HRA，弯曲强度分别为1343 MPa，1103 MPa，752 MPa，尽管随质量分数的提高，硬度和弯曲强度提升不同，甚至较低质量分数弯曲强度还会出现下降，但较基体都得到大大提高，但对强度的增强效果却有不同的结果。

周谟金[21]用在表面包覆B4C粉末的ZTA颗粒（ZrO2增韧Al2O3）制备高铬铸铁基复合材料，先利用黏结剂将ZTA颗粒制备成预制体，然后浇注金属液成型，对试样的横、纵切面分别进行硬度测试

纵切面硬度较基体提高约12%，横切面硬度较基体提高约20%。横纵界面硬度的差异是碳化物的取向导致的，总的来说复合材料硬度的提升是因为金属液遇到增强颗粒会产生激冷，使碳化物变得细化，从而提高复合材料硬度，其次表面的B4C粉会在复合材料中形成硬质点，也会提高硬度。姬长波[22]利用压铸机将WC粉、高铬铸铁粉、铁粉、黏结剂压制成预制体然后进行高温烧结制备复合材料，进行硬度检测时发现当加入体积分数为7%的WC颗粒时，硬度较高铬铸铁基体提高6.7%，硬度的提高原因，其一是硬度较高的WC颗粒加入后，会在复合材料中作为硬质点；其二WC颗粒与高铬铸铁粉的热膨胀系数相差较大，在复合材料中内部存在应力差异，长生位错，从而提高了复合材料硬度；其三是因为加入的WC颗粒会细化组织晶粒，从而提高硬度。WenHao Kan[23]通过原位反应制备NbC颗粒增强马氏体不锈钢复合材料，研究发现随着NbC颗粒体积分数的增加，复合材料的硬度呈线性增长，加入的NbC体积分数最大时（15%），硬度较基体提高14.5%.硬度的提高是因为加入的NbC颗粒起到了细化晶粒的作用，同时作为硬质点能承载更大的载荷。

2 钢铁基复合材料界面及增强机理研究

2.1 钢铁基复合材料界面结构

颗粒增强钢铁基复合材料中存在一个区域，此区域的金相组织与性能既不同于基体金属，也不同于增强相，且是两者的过渡区域称为界面。界面由增强相与基体复合产生，一般厚度不定，其范围通常小到纳米层级达到微米层级，是复合材料的重要微观结构，界面性能的优劣对整体复合材料至关重要，因此对界面性能的研究尤为重要。

界面处因结合方式不同分为几类：第一类为机械结合。用外力将增强颗粒与基体相结合，仅仅依靠机械力会造成界面结合不紧密，易形成缝隙，界面厚度大约在分子级别。第二类界面为溶解与润湿相结合。基体与增强颗粒之间不存在化学反应，此类界面结合也相对较粗糙，厚度大于分子级别，主要靠范德华力结合。表面包有镀层的颗粒作为强化相制备复合材料得到的界面属于此类。第三种为化学反应结合界面，在界面处颗粒与基体通过发生化学反应生成新的物相。界面厚度较上述较厚，但会存在偏析，分布不均匀等缺陷，界面靠化学键结合，结合强度高。

界面按照结构不同大致可以分为以下几种：

1）界面处发生反应有新的物相生成。制备复合材料一般所需要的温度很高，增强相与基体发生反应生成的新相，增强相以化合物形态存在于基体中。周谟金[21]在研究ZTA颗粒增强高铬铸铁基复合材料界面时，先通过计算热力学公式得出B4C会与高铬铸铁粉、Al2O3等发生反应，由此可知界面反应类型为反应型界面，通过XRD分析复合材料主要物相为陶瓷增强相以及（Cr，Fe）C的碳化物，同时B4C与Fe反应会生成铁硼合金。包昂[24]在WCp增强高猛钢复合材料界面研究中，通过分析发现界面处WCp颗粒会溶解进入钢基体中，随着金属液冷却的过程，过饱和的W元素会进入到界面层中形成碳化物。

2）增强相会在基体中扩散偏聚但不会发生反应，界面处会出现合金元素的富集或析出相。利用碳化钛增作为颗粒强化相制备铁基复合材料，碳化钛与铁基体不会发生反应但存在元素扩散。经EDS检测界面处会存在Ti（C）的析出相。

3）增强颗粒与基体在界面处发生反应原子结合，这种界面结构多存在于通过原位反应制备的复合材料。王一三[25]铸造烧结原位制备TiC/Fe复合材料经SEM及电子探针能谱仪分析发现复合层组织致密界面平滑清晰，未发现裂纹及脱层等现象。

颗粒增强相因种类的不同与钢铁基体发生反应不同，在制备时颗粒在基体中扩散程度、存在方式也不同，以上就对界面处复杂的微观结构、微区成分产生重要影响，复合材料的性能因而发生改变[26]，因此对制得材料的性能检测非常有必要。目前对界面的检测包括界面微区的组成成分鉴定，金相结构分析等。成分检测可以确定界面处发生的一系列反应生成的物相，以及界面处存在的元素种类以及含量，各种元素的变化趋势，借此可以推断出增强相在基体中扩散状况。王亮亮[27]在通过原位反应制备TiC/Fe材料，通过XRD及EDS对界面不同区域碳含量分析，得出TiC颗粒在界面处由外到心部碳元素含量越来越高，TiC颗粒越来越小，越分布均匀。对颗粒强化相在整体的分布均匀度分析提供了理论依据。

在分析界面时，因陶瓷颗粒与基体之间润湿性较差，因此有必要对界面结合强度进行研究。颗粒的种类及形状，颗粒在基体分布状态，界面处发生的反应等都会对界面结合强度产生影响。在界面研究中人们得出计算界面强度的方法。Aveston将界面理想化为一个几何平面，其上仅存在剪应力，颗粒与基体间仅存在界面摩擦力，只靠剪应力传递载荷，提出了一个剪滞模型的计算方法。界面结合强度如果直接测量难度非常大，且不易测量，界面剪切强度则是表示界面结合强度的指标，界面剪切强度可以用试验方法测得。

2.2 颗粒增强性能的机理研究

颗粒增强相对性能的增强机理一般用位错绕过理论来解释。理想状态下颗粒在基体中均匀分布，增强作用表现为弥散强化，复合材料在磨损时受到剪切力的作用下基体会首先受力变形形成位错运动，分布在基体中的增强相会阻碍基体运动，此阻碍作用越强说明基体越不易发生变形，从而提高复合材料的性能。位错强化机制由Arsenaut[28]等提出，陶瓷颗粒与基体之间的热膨胀系数存在差别，在制备复合材料的冷却过程中，界面处增强颗粒周围与基体之间会产生残余应力，会导致高密度位错的产生，从而提高整体力学性能。增强相的粒径越小，加入的体积分数越高，强化效果越明显。

研究表明，增强颗粒的加入在基体能细化晶粒，增强相作为非均质形核的核心，在颗粒周围形核生长，同时颗粒在基体中均匀分布也能抑制基体形核，从而产生晶粒细化。增强相的物理学特性为刚度大、硬度高、耐热性好，因此复合材料在实际使用中受力变形时基体的运动滑移大部分易发生在增强相四周，这就容易在界面处发生二次位错，如果受力变形较大会形成大量二次位错彼此交截，产生加工硬化，提高复合材料的性能。此外增强相作为外加颗粒在基体中属于沉淀相，能够在基体受力时阻碍位错运动，同时能提高界面强度产生沉淀强化机制，以上都是从微观结构来阐述强化机理，此外从微观力学来看，即在受力传递载荷时，剪应力载荷一般由界面传递到基体，增强颗粒综合了陶瓷相的优点，在基体受力时能够分担载荷，且不易磨损，从而提高力学性能。

姬长波[21]在研究WC/Fe复合材料的耐磨性机理时，发现基体的磨损形貌为一条条均匀的平直线，加入WC颗粒后，提升了复合材料硬度，同时作为硬质点“支撑”基体，一般来说，硬度与耐磨性线性相关，受外力时，WC颗粒以及晶间析出物会承受载荷，且对位错有阻碍作用，从而提高复合材料的耐磨性。王亮亮[27]等在研究颗粒增强TiC/Fe材料的磨损性能时发现，在试样表面，未发现有明显的黏着磨损特征，也没有出现深的犁状沟，只出现一条条细密的轻且浅的划痕。而在基体金属磨损试样表面，出现较深的犁状沟，而且沟间分布大小不均的黏着坑。由此得出增强颗粒首先提高了基体的磨损性能，其次对基体起到了固定、支撑作用。由于增强相本身硬度高，在磨损最先开始的一段时间，颗粒与基体会处于同一高度，基体硬度低，会优先磨损，增强相硬度高，能有效减缓磨损。磨损一段时间之后，基体表面会降低，强化相会凸出，进而突出的颗粒会优先磨损，进而起到保护基体的作用，复合后基体的硬度也会大大提高。

3 改善颗粒与基体金属液润湿性研究

基体金属液与增强相之间会存在润湿性问题，润湿角越小说明二者越易复合。金属液与陶瓷颗粒间基本不润湿，因此在研究钢铁基复合材料的制备工艺时，对科研人员来说首先要考虑的就是基体金属液与增强颗粒之间的润湿性。只要基体为金属，这个问题必须先要解决。因为润湿性表现在陶瓷颗粒和基体金属液之间，不管选择哪种制备工艺，二者都会在界面处生反应，导致多余相的生成。制备钢铁基复合材料的关键技术之一就是改善润湿性问题，常用而改善润湿性的方法有以下几种。

3.1 化学镀法

化学镀法不利用外加电流，镀液中存在着金属离子，所以可以利用溶液的这些带电离子还原为金属并且沉积在增强颗粒的表面从而形成镀层，但在制备过程中的参数很难控制，难以获得均匀的涂层。

Juanjian Ru[29]在制备ZTA增强65Mn钢基复合材料时，在预处理阶段经过两个步骤：一是通过Ni（AC）2对ZTA颗粒进行表面催化处理，用蒸馏水冲洗至PH值为7，真空烘干，其二是配置辅助离子液，在80℃下将氯化胆碱与乙二醇以物质的量比1：2混合，然后进行电镀。经SEM扫描电镜观察发现在ZTA表面上存在连续致密的Ni涂层，且ZTA颗粒与65Mn钢基体之间存在紧密的界面结合，没有出现裂纹、气孔等缺陷。值得注意的是，在样品的两相边界处未观察到明显的界面层。王泽建[30]研究了对SiC表面镀铜及Ni-Cr-Fe合金化处理对SiC铁基复合材料性能的影响。发现，SiC表面铜合金化处理，在提高铁液对SiC陶瓷相的润湿及铸渗能力方面优于Ni-Cr-Fe金属化工艺，镀层有效控制了SiC与铁液的界面反应，界面结合良好，抗拉强度得到明显提高。隋育栋[31]制备WC/Fe表面复合材料时，在WC表面镀镍，制备的复合材料界面与基体过渡平缓，表面质量变好，复合层的硬度也得到了提高。

3.2 化学气相沉积法

化学气相沉积法主要是把增强颗粒放到具有一定温度的并且充满氩气或者氢气的氛围下，让气体与增强颗粒的表面或者附近发生反应，使反应产生的固体产物沉积在增强颗粒的表面上，制备过程中对温度的控制要求特别高，控制的精度直接影响着涂层结构和沉积的速度，但是制备工艺很昂贵。

焦星星[32]在制备氧化铝颗粒增强高铬铸铁基复合材料时利用化学气相沉积法在Al2O3表面镀铜，在850℃以150 ml/min速度通H2，然后保温40 min，制得的铜涂层致密均匀。高纯铜涂层改善了氧化铝复相陶瓷与铁基体的润湿性，陶瓷颗粒与基体界面结合紧密，且观察不到孔洞、裂纹等缺陷，经测试复合材料的耐磨性能得到明显提高。

3.3 表面氧化法

表面氧化法一般是通过对增强颗粒进行强酸清洗然后高温处理，会在增强颗粒表面形成一层氧化膜，从而提高颗粒与基体金属液间的润湿性。

陈本超[33]在制备B4C颗粒增强A356铝合金复合材料时，先用体积分数为4%的HCl清洗B4C颗粒表面，酸洗的目的是为了去除颗粒表面的杂质，酸洗过程的搅拌可以去除颗粒尖角，使颗粒变得平滑圆整，在410℃下加热使其表面氧化生成B2O3，B2O3会与铝反应生成B2O3·Al2O3，从而提高颗粒与铝液的润湿性。刘凤国[34]在制备SiC/Al复合材料时，先用氢氟酸清洗SiC颗粒表面，去除杂质粒子，然后加热到850℃氧化生成SiO2，研究得出颗粒经高温与处理制备的复合材料界面结合紧密，且抗拉强度得到提高。

4 结束语

钢铁基复合材料耐磨性、硬度等都十分出众，已成为近年研究热点之一。其中复合材料的界面结合情况、颗粒与基体金属液间润湿性问题是其中的难点问题。国内外的科研工作者对改善颗粒与基体金属液间的润湿性，界面结合强度对复合材料耐磨性的影响提供了宝贵经验，对复合材料的制备工艺的改进提供了诸多方法，如利用消失模工艺制备复合材料，大大提高了复合材料的生产效率同时节约成本，但如何提高增强相在基体中的体积分数以及如何改善增强颗粒在基体中分布均匀性是目前科研工作者急需解决的问题。