納米TiN增強導衛板鑄滲層的組織研究

謝敬佩，郭 正，邵星海，王文焱，李 炎

(1.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471003;2.中原工學院 紡織學院，河南 鄭州450007)

0 前言

導衛板是傳輸軋件的關鍵裝置，主要用于軋件的傳導。導衛板工作時與滑動的高溫軋件不斷接觸摩擦而產生磨損，雖然有冷卻水強制降溫，但是導衛板工作面的溫度仍能達到數百度［1－2］，因此，導衛板應具有良好的耐高溫耐磨損性能。20世紀80年代末，隨著高速線材軋機的引進，高鉻鑄鐵導衛板被研發出來，雖然耐磨性能得到了明顯的提高，但仍不能滿足生產需要，而且高鉻鑄鐵導衛板存在脆性大以及熱疲勞抗力差等不足，使用中易出現剝落和脆裂。進一步研究適合于制造導衛板的新型耐磨材料是軋鋼工業亟需解決的重要問題。為了進一步提高導衛板表面合金材料的耐磨性能，國內外科研工作者開始研究了激冷鑄鐵表面噴涂、低碳馬氏體高強度耐磨合金、硬質合金彌散強化高合金鋼、硬質合金強化高鉻鑄鐵等材料［3－6］。本文采用普通砂型鑄滲法，制備出經納米TiN顆粒細晶強化和彌散強化的高碳鉻滲層，并研究了加入不同含量納米TiN對其顯微組織的影響和納米顆粒的強化機理。

1 試驗方法

使用自制的合金粉末作為鑄滲材料(主要成分是高碳鉻鐵，加入適量的Ni粉以提高淬透性)，加入不同含量的納米TiN粉末，在拌料機上充分混勻后加入適量的酚醛樹脂、硼砂、酒精等，配制成納米TiN粉體質量分數分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%的鑄滲劑涂層。

將鑄滲劑涂層編號后分別涂于砂型內壁，點燃烘干后用1 600℃的ZG35鋼液澆鑄成型。線切割加工成 10.0 mm ×10.0 mm ×10.0 mm 方塊試樣和10.0 mm ×10.0 mm ×0.5 mm(在鑄滲層中取樣)薄片試樣用于顯微組織分析。將方塊試樣磨平后在德國Brux D-8 X射線衍射儀(XRD)上進行物相分析;磨制拋光用王水腐蝕后在配有能譜儀(EDX)的JSM-5610LV掃描電鏡(SEM)下進行分析;將薄片試樣制備成厚度為50 μm以下的φ3 mm透射試樣，進行離子減薄之后在JSM2100高分辨透射電子顯微鏡(TEM)下觀察。

通過SEM、EDX、XRD、TEM等試驗方法觀察鑄滲層組織中晶粒大小，物相組成，碳化物分布形態，納米顆粒分布形態，分析納米TiN加入量對鑄滲層組織的影響和作用機理。

2 試驗結果和分析

2.1 結合界面分析

通過觀察，在試樣表面形成了一層明顯區別于ZG35材料的鑄滲層，鑄滲層與ZG35之間有著明顯的結合界面。利用掃描電鏡對結合界面處的顯微組織進行分析，結果見圖1。由圖1可看出:鑄滲層與ZG35之間有著一層50～80 μm厚的過渡層，結合界面在過渡層中間，呈犬牙交錯，形成良好的冶金結合。在鑄滲層中分布著網格狀析出物(通過能譜分析為鐵鉻碳化物)。在澆注過程中，高溫鋼液將過熱熱量和結晶潛熱傳輸到合金粉涂層，使涂層中的不同成分相互擴散，并被鋼液稀釋形成共晶液相，發生反應燒結，原位生成一層高硬度與高耐磨性的高碳鉻滲層［7－8］。

圖1 結合界面顯微組織

2.2 合金層物相分析儀

利用X射線衍射儀(XRD)對合金層進行物相分析，結果見圖2。由圖2可看出:鑄滲層鑄態組織由奧氏體基體和(Cr，Fe)7C3碳化物組成，納米TiN的加入未對碳化物的種類造成影響，但是從XRD圖譜可以看出，加入質量分數為1.0%納米TiN后，衍射峰的數量增加，強度降低，這是由于組織的細化與碳化物數量的變化引起的。

圖2 合金層XRD圖譜

2.3 鑄滲掃描電鏡分析

通過掃描電鏡(SEM)分析，結合XRD物相分析，對距結合界面500 μm鑄滲層區域進行組織分析，結果見圖3。由圖3可看出:隨著納米TiN加入量的增加，組織中奧氏體晶粒得到細化，碳化物由較為緊湊的連續網狀分布向獨立、分散的不連續網狀分布變化。

圖3 鑄滲層組織掃描電鏡圖像

在鑄滲過程中，高溫鋼液向涂層中擴散，通過過熱熱量將合金粉融化并稀釋得到亞共晶液相，隨著凝固過程的進行，在奧氏體晶界處析出網狀碳化物(見圖3a)。加入納米TiN之后，在合金粉被融化之前，鑄滲劑成分中的納米TiN聚集于鋼液與固態合金粉界面，或者溶于金屬液中作為異質形核點促進大量非均勻形核。納米TiN在界面的聚集與促進形核作用均能夠抑制碳鉻元素的擴散，造成熔體壽命較短，成分不均勻，微小體積之間出現成分差異。富碳鉻區域形成較為分散的不連續網狀分布碳化物，這種形態的碳化物大幅度提高了鑄滲層的力學性能與耐磨性。納米TiN加入質量分數為0.5%時，奧氏體晶粒得到細化，碳化物形態介于緊湊網狀與不連續網狀之間(見圖3b)，為過渡階段;納米TiN加入質量分數為1.0%時，碳化物呈不連續的網狀分布，碳化物分布較為獨立，分散(見圖3c);納米TiN加入質量分數為1.5%時，碳化物形態和晶粒度較納米TiN加入質量分數為1.0%時變化較小(見圖3d)。

2.4 透射電鏡分析

圖4是加入質量分數為1.0%納米TiN高碳鉻滲層透射電鏡(TEM)像和選區電子衍射花樣。在TEM像中可觀察到基體中析出了大量10 nm左右的第二相粒子，并在其周圍促進形成大量的位錯，第二相粒子強烈釘扎位錯，與位錯相互纏結。對圖4a中的基體和納米顆粒進行電子衍射花樣標定，結果表明基體(標定中晶面指數后加γ)為奧氏體，納米顆粒(標定中晶面指數后加N)為納米TiN。

TiN熔點高達2 950℃，納米TiN顆粒在1 550℃鋼液的加熱過程中處于部分融化或半融化狀態，能夠固溶在基體中起到釘扎作用，大大提高位錯的密度。因此可以認為，納米TiN在鑄滲層中能夠起到彌散強化和固溶強化作用，其強化作用是由析出強化和位錯強化機制導致的［9－13］。

圖4 鑄滲層透射電鏡像和選區電子衍射花樣

3 結論

(1)在納米TiN增強高碳鉻滲層制備工藝中，納米顆粒通過促進形核與抑制微區中元素的擴散，從而起到細化晶粒，并促進碳化物由緊湊網狀向不連續網狀分布轉變。(2)在鑄滲劑中加入質量分數為1.0%納米TiN能夠起到較為顯著的優化效果，晶粒細小，碳化物較為分散。加入質量分數為1.5%時，組織優化效果不再顯著。(3)通過透射電鏡分析發現納米TiN顆粒作為第二相粒子彌散分布于奧氏體基體中，使得位錯密度增加，起到彌散強化作用。

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