陶瓷增强钢铁基复合材料中基体与陶瓷的选择

刘昱辰

【摘 要】陶瓷增强钢基复合材料广泛用于工业生产中，基体和陶瓷的选择尤为重要。文章分析了选择高铬铸铁和高锰钢为基体，选择不同陶瓷颗粒为增强材料的原因。针对钢与陶瓷材料之间的润湿性差的问题，提出了一种提高陶瓷颗粒与钢基体润湿性的方法。

【关键词】陶瓷增强钢铁基复合材料;高铬铸铁;高锰钢;润湿性

引言：

陶瓷增强钢基复合材料是先进复合材料的重要组成部分。它们主要用作机械，采矿，水泥，电力，冶金，造船，化工和煤炭等工业领域中的高效耐磨材料。消耗巨大，因此它们是耐磨的。近年来，复合材料已逐渐成为耐磨材料领域的研究热点。然而，钢水和陶瓷的润湿性很差，因此很难制备陶瓷/钢复合材料。同时，陶瓷/钢界面基本上是机械结合的，复合材料的结合强度低，机械性能低，导致复合材料在抗磨服务过程中的可靠性和耐磨性较差。因此，陶瓷增强钢基复合材料基体和陶瓷的选择尤为重要，而提高钢水和陶瓷的润湿性也极为重要。

一、强韧设计及其制备方法

对对于颗粒增强的表面复合材料，它们都属于整个层复合材料。即，整个复合层形成在耐磨部件的工作表面上。这种复合材料在切削磨损或高温磨损条件下表现出相对较好的耐磨性，但在某些具有强冲击力（例如大破碎锤）或高应力（例如磨辊）的磨损条件下，可以沿复合层界面剥离复合材料。当剥离复合层时，耐磨组件的快速磨损会导致过早失效。近年来，西安交通大学耐磨性研究组开发了一种具有钉扎作用的表面复合材料及其制备技术。与传统的表面复合结构相比，拉伸复合材料的柱状金属基体对复合材料具有一定的影响。钉扎效果可以有效地抑制复合层沿着接合面剥离的问题。实验表明，预制的陶瓷颗粒块的制备是这种钉扎表面复合材料的铸造和渗透模塑的重要环节。高一民等。我们发明了一种新型的耐热橡胶混合物，该混合物显着提高了预成型块对高温液态金属的耐腐蚀性，并解决了预成型块在铸造渗透过程中过早坍塌的问题。

二、鋼基质和陶瓷的选择

1钢基质的选择

1.1高铬铸铁

高铬铸铁中有三种主要类型的碳化物，即（Fe，Cr）23C6，（Fe，Cr）7C3和（Fe，Cr）3C。M7C3的晶体硬度为1200-1800HV，高于M3C（840-1100HV）和M23C6（1000-1100HV）。由于高铬耐磨铸铁中的高铬含量和相对高的铬碳含量，碳化物主要为（Fe，Cr）7C3。选择高铬铸铁作为基础材料具有三个优点：首先，由于存在马氏体，高铬铸铁具有出色的耐磨性和更高的强度。它不仅确保了陶瓷增强材料的支撑效果，而且还提高了复合材料的整体耐磨性。其次，金属具有更好的高温流动性，并且可以更好地渗透到预成型件的孔中。第三，高铬铸铁和陶瓷在高温作用下不会产生脆性相，这会影响使用寿命。

1.2高锰钢

高锰钢作为抗冲击和耐磨材料广泛用于冶金矿山，煤炭，电力和其他行业。高锰钢是一种具有高韧性和高冲击韧性的耐磨材料，在室温下可达aku276.6。屈服强度低，Rel334-409MPa，Rm607-980MPa，具有很强的应变硬化能力。但是在完全硬化之前，其耐磨性并不高。高锰钢经过不同的热处理工艺产生不同的组织，因此其硬度也不同。铸态高锰钢组织中存在碳化物和共析组织，硬度随碳化物含量的增加而增加，一般在HB200-230范围内。水增韧后的硬度在HB170-230范围内，主要是固溶强化。加工硬化硬度可以达到HB600。这种高硬度适用于各种耐磨条件，并且是高锰钢是优良耐磨材料的主要原因。

2陶瓷颗粒的选择

根据不同工作条件下陶瓷颗粒增强金属基复合材料的应用和性能要求，陶瓷颗粒的选择具有以下标准：

2.1陶瓷颗粒的性能

如高强度，高韧性，高硬度，高比强度，耐高温，耐腐蚀，耐磨性和良好的化学稳定性。

2.2陶瓷颗粒和金属基体的润湿性

陶瓷和金属之间的润湿性是衡量金属陶瓷结构和性能的关键条件。润湿性越好，熔融金属越容易渗入陶瓷预成型坯，并且金属相形成连续相的可能性越大，因此复合材料的性能越好。

2.3陶瓷颗粒的化学稳定性

在高温下制备复合材料时，由于金属和陶瓷性能的差异，容易发生界面反应和脆性相的形成，严重影响了复合材料的性能。因此，所选的陶瓷和金属应具有良好的化学相容性。

2.4陶瓷颗粒的成本

如果复合材料可以工业化，那么除了满足性能要求外，广泛的材料来源和低成本尤为重要。Al2O3陶瓷颗粒不仅价格低廉（约为WC成本的2%），而且具有更好的高温耐磨性和耐腐蚀性。它们与钢基质的热膨胀系数更兼容;随着氧化锆氧化铝（ZTA）陶瓷的增韧，Al2O3陶瓷颗粒的发展和成熟大大提高了Al2O3陶瓷颗粒的韧性。因此，在过去的十年中，高性能和低成本ZTA颗粒（ZTAp）增强钢基复合材料的研究受到了特别的关注。

三、陶瓷和金属的润湿性

对金属和陶瓷材料之间的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。从陶瓷-金属界面结合方法的角度来看，它包括反应性润湿和非反应性润湿。由于化学反应在反应性润湿过程中发生，所以在中间层上进行润湿过程，这可以有效地促进界面结合。同时，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。

陶瓷的润湿性对金属基复合材料的冶金，铸造，陶瓷连接，焊接，喷漆和其他工艺有重要影响。目前，提高陶瓷和金属润湿性的常用方法主要有以下几种：

1合金化

金属合金化是最简单，最有效的方法，因此已被广泛使用。向金属基质中添加合金元素使合金元素吸附并集中在液态金属的表面和固液界面上，从而降低了液态金属的表面张力和固液界面张力。合金元素在固/液界面处反应以形成界面反应产物，从而减小接触角。

2热处理

热处理方法对改善金属与陶瓷颗粒之间的润湿性具有显著作用，因此被广泛用于陶瓷-金属复合材料中。热处理后，降低了陶瓷表面上的氧含量，可以减少金属与陶瓷之间的氧化反应，并且可以促进金属与陶瓷之间元素的相互扩散。另外，电磁搅拌也可以起到类似的作用。超声搅拌还可以形成负压区，从而降低陶瓷和液态金属之间的表面张力。

3表面涂层技术

表面涂层技术是指使用相应的表面技术在基底表面上制备性能比基底材料更好的表面层，包括气相沉积，电镀，化学镀，热喷涂技术等。表面涂层技术替代了表面涂层技术。金属和陶瓷与新涂层材料之间的直接接触改善了系统的润湿性。涂层必须满足以下条件：促进润湿;具有良好的稳定性，防止扩散和界面反应;并具有一定的强度来保证材料的综合性能。

为了提高陶瓷颗粒与金属基体之间界面的润湿性并增加界面的结合强度，国内外学者做了很多工作。其中，有许多关于使用金属涂层改善润湿性的研究。由于钢基体与Al2O3，ZrO2和ZTA之间的润湿角较大，因此润湿性不好。但是，在陶瓷颗粒表面进行金属涂覆后，润湿角可以显着减小，并且SiC，TiC，WC碳化物和钢基体的润湿性更好。相反，铝基体与氧化物和碳化物陶瓷之间的润湿性也很差，但是通过添加合金化也可以改善陶瓷颗粒和熔融金属的润湿性。

四、结束语

总之，陶瓷增强钢基复合材料具有广泛的应用范围，但是需要选择钢基和陶瓷用于不同的工作条件，以制备性能更好的陶瓷/钢复合材料。通过适当的改善润湿性的方法，陶瓷/钢复合界面具有更强的粘结能力和更好的机械性能。

参考文献：

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（作者单位：安徽省界首市卢氏刻花彩陶有限公司）