碳化物颗粒增强高锰钢基复合材料及制备工艺浅析

2023-10-23董纪宏

华东科技 2023年9期

文/董纪宏

现阶段，国家提倡发展超低能耗建筑和建设环保型社会，采矿、运输及土木工程相关产业对机械零部件的品质提出更高要求，如要求其具备较强的耐磨性、能够适应高负载和摩擦环境。高锰钢等新型材料虽然得到一定推广和应用，但是在使用过程中依然会受到一定限制。基于此，本文围绕碳化物颗粒增强高锰钢基复合材料展开研究，分析并探讨了该复合材料的制备工艺与应用现状，旨在为相关研究人员提供参考。

一、碳化物颗粒增强高锰钢基复合材料简介

碳化物增强高锰钢基复合材料是一种新型的高性能复合材料，集合了碳化物和高锰钢的优点，普遍具有较高的强度和韧性。目前，该复合材料已经被广泛应用于航空航天、汽车生产、机械制造等领域。近年来，碳化物材料不断发展，制备工艺也越来越精湛，更多的碳化物材料被用于制备碳化物增强高锰钢基复合材料，如TiC（碳化钛）、TiN（氮化钛）、NbC（碳化铌）、MoC（碳化钼）、SiC（碳化硅）、B4C（碳化硼）、WC（碳化钨）等。这些碳化物材料具有较高的强度和韧性，有助于提高复合材料的性能。

二、碳化物颗粒增强高锰钢基复合材料制备工艺分类

增强颗粒在基体中多以外加或内部反应两种方式存在。其中，外加的增强颗粒可能会与氧气结合而团聚，进而在基体中呈不均匀分布。加之增强相颗粒与基体的湿润角差距较大，二者相容性较差，难以充分结合。外加法的优点是基体种类不受限制、应用范围广、成本低等。内部反应法指的是在材料制备过程中生成增强相颗粒。此类原生增强相颗粒可以在基体中均匀分布，且增强相颗粒与基体组成的界面相对整洁、黏结强度高，能有效改善复合材料的性能。目前，颗粒增强金属基复合材料的制备方法众多，如液态工艺、固态工艺、液-固两态工艺以及固-半固态工艺等。其中，液态工艺包括机械搅拌法、铸渗法、挤压铸造法、电磁连铸法等；固态工艺包括粉末冶金法、原位合成法、自蔓延烧结法、轧制复合法、爆炸复合法等；液-固两态工艺包括搅拌铸造法、复合浇铸法等；固-半固态工艺包括半固态铸轧法、半固态压力复合法等。无论采用何种制备工艺，主要目的都是确保增强相颗粒在基体中均匀分布，有效增强材料的力学性能、耐磨性，延长其使用寿命；提高各种原材料的利用率，降低材料制备过程的能耗；尽可能减少复合材料的后期加工流程，在降低生产成本的同时优化制备工艺。

三、常见碳化物颗粒增强高锰钢基复合材料制备工艺概述

搅拌铸造法属于液-固两态工艺，主要形式为机械搅拌。具体操作时，技术人员需要在熔融状态下的金属基体中直接加入增强颗粒，并借助机械力的作用使其混合均匀，最后冷却成型生成铸件。这种工艺的优点是设备简单、流程简洁、操作方便且成本低廉，对增强相颗粒的尺寸要求不高。其缺点是在机械搅拌过程中颗粒易发生氧化，尤其部分陶瓷颗粒与熔融态的金属润湿角较大，极易发生团聚现象。一旦团聚，增强相颗粒就难以均匀分散，铸件的质量和性能就会受到不利影响。因此，密度相差较大的材料不宜采用搅拌铸造法，以免在后续制备过程中形成宏观偏析和偏聚，导致铸件质量不达标。此外，考虑到钢铁材料的熔点相对较高，对搅拌装置要求严格，搅拌铸造法很少用于钢铁基材料制备。

粉末冶金法最早由Kopenaal等人于1961 年提出，是指将金属基体同增强相粉末均匀混合后，在低于金属液相线温度环境下压制成型，再通过真空烧结使原子扩散并促使金属基体和增强相颗粒结合在一起。粉末冶金法是一种最早用于制备金属基复合材料的方法之一。[1]粉末冶金法的优点是：对基体和增强相颗粒的润湿性、密度差要求不高，增强颗粒可以均匀地分布在复合材料中，且实现高体积分数增强相增强钢基复合材料的成功率较高。由于在高温煅烧时，增强相易发生化学反应并在界面形成脆性相导致界面结合力较差、成品孔隙率较高，进而降低铸件的整体性能，技术人员通常会对铸件进行二次加工以提高其致密性。另外，粉末冶金法对基体材料和增强相粉末的含量、品种、尺寸等限制较少，但造价较高，生产出的零件和坯体尺寸较大，所以更适用于制造以颗粒或晶须为增强的复合材料，而非纤维增强的金属复合材料。

离心铸造法是一种借助离心力将增强颗粒贴附在型壁上再浇注高温金属液，让金属液渗入颗粒孔隙并与颗粒结合进而形成复合材料的制备工艺。技术人员可以在浇注高温金属液的同时掺加增强颗粒，在离心力的作用下催动增强颗粒移动并附着在铸件表面进而形成表面复合材料。Saad Mahmood Ali 等人使用离心铸造法在亚共晶Al-Si 合金（铝硅合金）中掺加SiC 颗粒后发现，铸件表面缺陷得到明显改善，力学性能整体提升。[2]Tao Chen 等人对采用离心铸造法生产的炉管进行分析后发现，其炉管制备过程中形成了微孔，而这种微孔通常可以从黏结剂的种类、冷却速度和浇注温度等多个方面得到改进或控制。

铸造法是一种将金属液注入放有增强相颗粒的预制体中以制备颗粒增强金属基复合材料的制备工艺，可根据铸渗条件的不同进一步细分为重力铸渗法、离心铸渗法及真空吸铸法等。其中，重力铸渗法是指借助重力作用使金属液渗入预制体的空隙并与增强相颗粒、基体相结合进而形成复合材料层；离心铸渗法与重心铸渗法有相似点也有区别，该工艺主要借助超强离心力促使金属液快速渗入增强颗粒预制涂层内部，待冷却凝固后形成颗粒增强钢铁基表面复合材料；真空吸铸法主要通过真空负压将增强颗粒或合金粉末吸附在型腔的指定位置，在真空吸力、毛细管力等的共同作用下，注入的金属液将与增强相颗粒结合并在凝固后形成复合材料。[3]针对该制备工艺，陈善贤等人经过实验后发现，当离心转速达到100r/min 时，通过离心铸渗法或真空吸铸法制备的ZL114A 铝合金的抗拉强度明显增强，晶粒细化组织均匀；李秀兵等人采用铸造法在铸件表面制备了WC 颗粒增强钢铁基体的表面复合材料，以及其他外硬内韧、耐磨耐热耐腐蚀性能优异的复合材料。

原位复合法是A.G.Merzhanov 等人在1967 年利用SHS 法（自蔓延高温合成法）合成TiB2/Cu 功能梯度材料时提出的。原位合成法主要有气-液反应合成法、放热弥散法、自蔓延高温合成法、原位反应铸造法及机械合金化法等。[4]通常，业界将原位合成法与铸造法结合的工艺称为原位反应铸造法，其工作原理是：利用金属液的高温属性催动预制体内的中间相增强颗粒和基体发生反应，进而生成一种或多种高硬度、高弹性模量的、均匀分布在金属基体内的陶瓷颗粒，以进一步增强金属的性能。基于此，苏广才等人经研究发现，采用原位生成法合成的Ti(C,N）复合材料的耐磨损性能均优于基体的耐磨损性能。Fang Yang 等人在采用原位反应铸造法制备的Ti-TiB2中掺加PTFE（聚四氟乙烯）后发现，质量损失明显减少。姬长波通过原位合成法制备了WC 颗粒增强高铬铸铁基体，并将增强相颗粒分为两部分：一部分放置于铬铸铁基体中，一部分固溶在界面上。随后，晶界处便析出了能够提高复合材料韧性和硬度的M6C3 型碳化物。同时，随着基体中WC 颗粒含量的增加，复合材料的硬度以及冲击韧性值也在逐渐增加。

官建国等人在原位生成的基础上引入电场以促进微纤原位生成，获得了自增强原位复合材料。由于在原位合成过程中，复合材料的增强颗粒并未与外界接触，不仅表面不会被污染、氧化，还能有效避免增强体分布不均、浸润不良、界面反应产生脆性层等缺陷。与传统的外加颗粒法相比较，原位生成法具备以下优点[5]：原位生成的增强颗粒相是热力学中相对稳定的相，适用于高温工况；增强相与基体界面干净、整洁、无污染、润湿效果好且界面结合强度高；增强相粒径尺寸小，可以在基体组织中均匀分布；由于生产工艺简单方便、易操作，更适合工业化大规模大批量生产。