陶瓷增强钢铁基复合材料中基体与陶瓷的选择

汝娟坚 贺涵

摘  要：陶瓷增强钢铁基复合材料广泛应用于工业生产中，基体及陶瓷的选择尤为重要。文章分析了选择高铬铸铁及高锰钢作为基体及不同陶瓷颗粒作为增强体的原因。根据钢铁与陶瓷材料之间润湿性差的问题，介绍了改善陶瓷颗粒与钢铁基体的润湿性的方法。

关键词：陶瓷增强钢铁基复合材料;高铬铸铁;高锰钢;润湿性

中图分类号：TG257        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）17-0127-02

Abstract： Ceramic reinforced iron and steel matrix composites are widely used in industrial production， and the selection of matrix and ceramics is particularly important. In this paper， the reasons for choosing high chromium cast iron and high manganese steel as matrix and different ceramic particles as reinforcements are analyzed. According to the problem of poor wettability between iron and steel and ceramic materials， the methods to improve the wettability between ceramic particles and iron and steel matrix are introduced.

Keywords： ceramic reinforced iron and steel matrix composites; high chromium cast iron; high manganese steel; wettability

1 概述

陶瓷增强钢铁基复合材料是先进复合材料的重要组成部分，主要作为高效耐磨材料应用于机械、矿山、水泥、电力、冶金、船舶、化工和煤炭等工业领域中，消耗量巨大，因此耐磨复合材料近年来逐渐成为耐磨材料领域的研究热点[1]。但是，钢铁液与陶瓷的润湿性差，所以制备陶瓷/钢铁复合材料相当困难;同时陶瓷/钢铁界面基本为机械结合，结合强度低，复合材料力学性能低，导致该复合材料在抗磨损服役过程中，可靠性和耐磨性较差。因此陶瓷增强钢铁基复合材料基体与陶瓷的选择尤为关键，同时改善钢铁液与陶瓷的润湿性也格外重要。

2 钢铁基体与陶瓷的选择

2.1 钢铁基体的选择

（1）高铬铸铁

高铬铸铁中碳化物类型主要有三种，分别为（Fe，Cr）23C6、（Fe，Cr）7C3和（Fe，Cr）3C。M7C3的晶体硬度为1200-1800 HV，高于M3C（840-1100 HV）及M23C6（1000-1100 HV）。由于高铬耐磨铸铁中铬元素含量以及铬碳比较高，所以碳化物是以（Fe，Cr）7C3为主要形式存在的[2-3]。

选用高铬铸铁作为基体材料有以下三个优点：第一，高铬铸铁由于马氏体的存在而具有优异的耐磨性能以及较高的强度。既保证了对陶瓷增强体的承载作用，又提高了复合材料整体的耐磨性。第二，该金属的高温流动性较好，能更好的渗入到预制体的孔隙中。第三，高铬铸铁与陶瓷不会因高温的作用下而生成脆性相，影响使用寿命。

（2）高锰钢

高锰钢作为一种抗冲击耐磨材料广泛应用于冶金矿山、煤炭、电力等行业。高锰钢是一种延性耐磨材料，冲击韧性很高，室温下高达aku276.6。屈强比较低，Rel334-409MPa，Rm607-980MPa，有很强的应变硬化能力。但在未充分硬化前，其耐磨性能并不高。

高锰钢经过不同的热处理工艺而产生不同的相及组织，从而使其硬度不同。

铸态的高锰钢组织中有碳化物和共析组织，其硬度随碳化物的含量增高而增大，一般HB200-230范围内。水韧处理后的硬度HB170-230范围内，主要为固溶强化。加工硬化的硬度能够达到HB600，这种高硬度适合于多种耐磨工况，也是高锰钢作为优异的耐磨材料的主要原因。

2.2 陶瓷颗粒的选择

依据陶瓷颗粒增强金属基复合材料在不同工况下的应用及性能的要求，对陶瓷颗粒的选择具有以下标准：

（1）陶瓷颗粒的性能

比如高强度、高韧性、高硬度、高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损及化学稳定性好等性能。

（2）陶瓷顆粒与金属基体的润湿性

陶瓷与金属之间的润湿性是衡量金属陶瓷组织结构与性能优劣的关键条件，润湿性越好，金属液越容易对陶瓷预制体进行浸润，金属相形成的连续相可能性越大，因此复合材料的性能越好。

（3）陶瓷颗粒的化学稳定性

在高温下制备复合材料时，由于金属和陶瓷性质上的差别，极易发生界面反应及脆性相的生成，严重影响复合材料性能，因此选用的陶瓷与金属应具有良好的化学相容性。

（4）陶瓷颗粒的成本

若使复合材料能够实现工业化，除了满足性能上的要求，材料的来源的广泛性，成本的低廉性尤为重要。

Al2O3陶瓷颗粒不仅价格低廉（约为WC成本的2%）、且耐高温磨损、耐腐蚀性能更为优异，与钢铁基体的热膨胀系数更为匹配;随着氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷的发展和成熟又大大提高了Al2O3陶瓷颗粒的韧性，因此近十年来高性能低成本ZTA颗粒（ZTAp）增强钢铁基复合材料的研发特别受到关注。

3 陶瓷與金属的润湿性

金属与陶瓷材料之间润湿性的研究是制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料的关键[4]。从陶瓷-金属的界面结合方式来看，包括反应性润湿和非反应性润湿。由于反应性润湿过程中会有化学反应发生，使这个润湿过程在中间层上进行，能够有效促进界面结合。而在非反应性润湿过程中，液态金属的表面张力具有重要影响。因此，金属基体与陶瓷相的润湿性，不但是决定金属基复合材料工艺成败和材料性能优劣的重要因素之一，而且还对冶金、铸造、陶瓷连接、焊接、涂层技术等有重要影响。目前常用的改善陶瓷与金属润湿性的方法主要有以下几种：

3.1 合金化

金属合金化是最为简单有效的方法，因此得到了广泛应用。在金属基体中添加合金元素，使合金元素在液态金属表面及固/液界面吸附与富集，降低液态金属表面张力及固/液界面张力;合金元素在固/液界面发生界面反应，形成界面反应产物，从而降低接触角。

3.2 热处理

热处理方式对于提高金属与陶瓷颗粒间的润湿性具有显著影响，因此被广泛运用于陶瓷-金属复合材料中。经过热处理后的陶瓷表面氧含量减少，可以减少金属与陶瓷之间氧化反应的产生，促进金属与陶瓷间元素的相互扩散。另外，电磁搅拌也能够起到相似的作用，超声搅拌还能够形成负压区，从而降低陶瓷与液态金属间的表面张力。

3.3 表面涂层技术

表面涂层技术是指利用相应的表面技术在基体表面制备出性能优于基体材料的表面层，其中包括气相沉积、电镀、化学镀、热喷涂技术等。表面涂层技术通过新的涂覆物质取代金属与陶瓷的直接接触，从而提高体系的润湿性。涂层必须满足以下条件：促进润湿;稳定性好，能防止扩散和界面反应的发生;有一定强度，保证材料的综合性能。

为了改善陶瓷颗粒与金属基体界面的润湿性，提高界面的结合强度，国内外学者作了大量的工作，其中利用金属涂层来改善润湿性的研究较多。由于钢铁基体与Al2O3、ZrO2、ZTA间的润湿角较大，润湿性不好，但是通过对陶瓷颗粒表面进行金属包覆后，其润湿角能够明显减小，而SiC、TiC、WC等碳化物与钢铁基体的润湿性则较好[6，7]。相比之下，铝基体与氧化物、碳化物陶瓷间的润湿性也很差，但是通过添加合金元素也能够使陶瓷颗粒和金属液润湿性得到改善。

4 结束语

综上所述，陶瓷增强钢铁基复合材料的应用范围广泛，但需要针对不同工况对钢铁基体及陶瓷进行选择，以便制备出的陶瓷/钢铁复合材料性能更好。通过合适的改善润湿的方法，使陶瓷/钢铁复合材料界面结合能力更强，力学性能更佳。

参考文献：

[1]李卫，中国铸造耐磨材料产业技术路线图[M].2011.

[2]陈惠芬，胡静霞.高铬铸铁中的碳化物研究[J].上海应用技术学院学报（自然科学版），2003，3（3）：166-168.

[3]任福战，赵维民，王如，等.高铬铸铁里的碳化物形貌对力学性能的影响[J].中国铸造装备与技术，2007（2）：23-26.

[4]Delannay F， Froyen L， Deruyttere A. The wetting of solids by molten metals and its relation to the preparation of metal-matrix composites composites[J]. Journal of Materials Science， 1987， 22（1）：1-16.

[5]陈名海，刘宁，许育东.金属/陶瓷润湿性的研究现状[J].硬质合金，2002，19（4）：199-205.

[6]LEON C， DREW R. Preparation of nickel-coated powders as precursors to reinforce MMCs [J]. Journal of Materials Science， 2000，35（19）：4763-8.

[7]OZBEN T， KILICKAP E， CAK1R O. Investigation of mechanical and machinability properties of SiC particle reinforced Al-MMC [J]. J Mater Process Technol 2008，198（1）：220-5.