陶瓷增強高錳鋼復合材料的組織與結合機理

謝敬佩，張長濤，盧洪波，王文焱，王愛琴

(1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471003;2.鄭州鼎盛工程技術有限公司，河南鄭州450000)

0 前言

高錳鋼具有良好的韌性，同時在強烈沖擊下和大的壓力下，會產生加工硬化，從而提高高錳鋼的耐磨性。隨著鐵路、冶金、礦山等工業的發展，對耐磨材料的性能提出了更高的要求，同時對耐磨材料的需求量日益增多，為耐磨材料的發展提供了動力［1－3］。但是在某些工況條件下，高錳鋼的耐磨性不高。為了增加高錳鋼的性能，目前主要從兩方面采取措施，改變工藝和改變成分。文獻［4－6］用硬質合金和高鉻鑄鐵硬質塊增強高錳鋼基體，這些研究對提高高錳鋼的耐磨性取得了一定的效果，但是在大的沖擊下耐磨性還不是太理想。

本文采用陶瓷強化高錳鋼基體，制作高錳鋼陶瓷復合材料，并通過掃描電鏡對高錳鋼與陶瓷的結合情況、基體的顯微組織進行了研究，在此基礎上較深入地探討了高錳鋼與陶瓷的結合機理。

1 實驗材料及條件

1.1 實驗材料

表1 高錳鋼成分 質量分數/%

基體材料為Mn13，化學成分見表1，采用500 kg中頻感應電爐熔煉，熔煉好后，將鋼水澆入預先放有陶瓷塊的鑄型中，通過母液強烈的熱作用，使陶瓷塊與母材結合為一體。

1.2 實驗熱處理方法

將復合材料在SX-4-12型高溫箱式電爐中進行熱處理。原熱處理工藝:將復合材料加熱到1050℃保溫3 h水韌處理，接著進行450℃的時效處理［7－9］;新熱處理工藝:將復合材料熱處理溫度加熱到1050℃保溫4 h水淬，然后進行350℃的回火。

2 實驗結果與討論

2.1 高錳鋼基體組織

圖1為高錳鋼基體組織，由圖1a可見:新熱處理下，沒有沿晶碳化物析出。從圖2b可見:原熱處理下，碳化物不僅沿晶間析出，晶內也有大量的碳化物析出。400～550℃是碳化物析出和長大的溫度區間，原熱處理工藝在這個溫度區間保溫1 h，使碳化物大量析出。

2.2 不同熱處理工藝基體沖擊斷口

圖2a為沖擊韌性值為190 J/cm2的斷口形貌，從圖2a中可以看出:新熱處理工藝下，沖擊斷口形貌中有大量的韌窩，這是沖擊韌性值高的原因。圖2b為沖擊韌性值為84 J/cm2的斷口形貌，從圖2b中可以看出:原熱處理工藝下，斷口形貌為準解離斷口形貌，因此沖擊韌性值較低。

2.3 基體碳化物

圖3是新工藝下晶內彌散析出碳化物的分析。由結果可知:點塊狀析出碳化物為Fe、Cr、Mn的復合碳化物。這種在基體上彌散析出的碳化物，能夠增強基體抗磨料磨損能力。奧氏體中開始析出碳化物溫度為125℃，可是在此溫度下碳化物的析出數量很少，為了增加碳化物在基體的彌散析出數量，需提高時效溫度，但超過450℃碳化物會出現晶界連續網狀分布，也會出現晶內粗大的碳化物;新熱處理工藝在350℃下時效，這樣既可保持基體的高韌性，同時還可以提高基體的耐磨性能［7］。

2.4 陶瓷塊與高錳鋼基體結合情況及機理

陶瓷塊與基體的結合情況影響材料的使用壽命。對材料的界面進行金相分析。

通過掃描電鏡觀察陶瓷塊與高錳鋼結合情況，如圖4所示。圖4a新工藝方法下高錳鋼與陶瓷塊的結合很好，靠近陶瓷塊部位的基體無微裂紋。靠近陶瓷塊的高錳鋼基體組織較細，碳化物彌散分布;圖4b老工藝下，高錳鋼與陶瓷塊的結合較差，靠近陶瓷塊部位的基體有微裂紋。高錳鋼基體組織粗大，碳化物彌散分布，降低結合強度;由圖4c可見:結合部位陶瓷和基體呈交錯狀，且可以看到陶瓷顆粒和基體嵌入高錳鋼基體。

圖4 陶瓷塊與高錳鋼結合情況

為了更好地檢查結合較好材質界面的結合狀況，圖5給出了結合處的EDS線掃描照片，從圖5中可以看出:金屬陶瓷與高錳鋼基體結合得很好，高錳鋼與金屬陶瓷基體熔為一體。基體材料的Fe元素含量，從基體到金屬陶瓷，在界面處呈減少趨勢;Ti元素的含量，從金屬陶瓷到基體，下降明顯，界面處的Ti含量低于遠離界面的金屬陶瓷的Ti含量，但是Ti元素的擴散距離較短。這兩種元素的擴散是熱擴散的結果。

高錳鋼基體金屬液的熱量使陶瓷塊在澆注后相當長一段時間里處于高溫，而溫度對擴散速度的影響呈指數變化，這就使擴散速率大大提高，形成較好的冶金結合。

圖5 基體與金屬陶瓷結合處線掃描

3 結論

(1)原熱處理工藝下，碳化物在晶界和晶內都有大量分布，其中晶界有塊狀分布;新工藝下碳化物沿晶析出較少，可有效避免錘頭工作中的脆斷現象的發生。(2)新熱處理工藝下斷口形貌有大量韌窩，沖擊值達到190 J/cm2。(3)新熱處理工藝下，陶瓷塊與基體高錳鋼的結合為冶金結合，靠近陶瓷塊部位的高錳鋼基體的晶粒較細，碳化物彌散分布。

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