灰鑄鐵表面原位合成TiC/Al3 Ti復合涂層的組織及耐磨性

阮鴻雁 沈 琪 宋振達

1.江蘇大學，鎮江，212031 2.江蘇金華廈電氣有限公司，鎮江，212200

0 引言

本文采用自蔓延反應合成技術，在鑄鐵表面制備出一層TiC陶瓷顆粒增強Al3Ti金屬間化合物基復合涂層材料，使陶瓷顆粒增強相和金屬間化合物集中分布在鑄鐵表面易磨損部位［1－5］，大幅提升其硬度及耐磨性，復合工藝簡單，成本低廉，具有一定的工程應用價值［6－8］。

1 試驗材料與方法

試驗采用市售鈦粉（質量分數不小于99.0%，325目）、鋁粉（質量分數不小于99.0%，325目）和石墨粉（質量分數不小于99.85%，粒度不大于30μm），將原料粉末分別以TiC和Al3Ti化學劑量按下列反應方程配比：x（Ti＋C）＋（1－x）（3Al＋Ti）→xTiC＋（1－x）Al3Ti［1－3］。將稱量好的原料粉末在行星式球磨機上混粉24h，球料比為3∶1（磨球為瑪瑙球）。將混合均勻后的粉末壓制成厚度為3mm、直徑為16mm的圓柱狀預制塊，致密度約為50%，在150℃下真空干燥6h并自然冷卻到室溫。采用PVA（聚乙烯醇）－水泥砂造鑄型［9］，基體材料采用灰鑄鐵（10kg），并用4%（質量分數）的PVA水溶液將干燥后的預制塊粘固在鑄型表面（圖1），自然風干后，在300℃下預熱鑄型2.5h，將要澆注的鐵液加熱至1400℃時，插鋁脫氧，隨后將鐵液澆入鑄型中進行熱爆反應，冷卻后得到表面復合材料。通過線切割方法將該材料加工成10mm×10mm×10mm的試樣。采用Rigaku D/Max－2500/pc型X－ray衍射儀（XRD）分析熱爆產物及涂層的相組成；采用JSM－7001F型掃描電鏡（附帶Inca Energy－350型X射線能譜儀）觀察熱爆產物及涂層微觀組織和界面形貌，并定性分析其成分。

圖1 鑄型簡圖

采用HVS－1000顯微硬度計測試材料的顯微硬度（加載質量15g，加載時間10s）。采用MG－2000型高溫磨損試驗機對試樣進行耐磨性測試，磨損試驗的示意圖見圖2。試驗溫度分別為25℃、200℃、400℃，載荷為150N，滑動速度為1m/s，滑動距離為1.2×103m，對磨盤為 D2鋼（φ70mm×8mm），磨損試樣尺寸為 φ6mm×12mm。用電子分析天平E180（精度為10－5mg）稱量試樣在磨損前后的質量差值，取3個試樣的平均值。磨損體積ΔV按下式計算：

式中，Δm為磨損失重；ρ為試樣密度。

圖2 磨損試驗示意圖

2 結果及討論

2.1 復合涂層的物相組成

表面復合涂層端面的XRD分析結果如圖3所示。可知預制塊反應完全且產物純凈，只存在Al3Ti和TiC相，這說明在Al、Ti、C三種元素組成的體系中，經高溫鐵液引發其發生自蔓延反應，Al3Ti和TiC是最終穩定存在的相。TiC含量為20%～40%（質量分數），TiC衍射峰強度逐漸變強；Al3Ti衍射峰強度相應變弱。

圖3 表面復合涂層XRD分析

2.2 表面復合涂層的微觀組織結構

圖4為不同成分復合涂層的微觀形貌。表面復合涂層組織致密，TiC顆粒均勻分布在基體相Al3Ti中。隨著TiC含量的增加，顆粒尺寸逐漸減小，其形貌由長條狀向粒狀轉化。TiC含量為20%時，顆粒呈條狀，如圖4a所示。隨著TiC含量的增加，條狀顆粒隨之減少，粒狀顆粒相應增加。當TiC含量增大至40%時，增強相的形態也完全轉變為粒狀，如圖4b、圖4c所示。

圖4 不同成分復合涂層微觀形貌

Al與Ti在695℃發生反應，放出熱量，引發Al－Ti－C體系整體反應。采用鑄造反應合成技術制備表面復合材料時，由于鐵液溫度達到1400℃，反應Ti＋3Al→Al3Ti、Al3Ti＋C→TiC＋3Al、Ti＋C→TiC可以在瞬時發生。Al－Ti起到引燃作用，使此體系的點燃溫度低于鐵液溫度近700℃，即使考慮到鐵液澆入鑄型發生急冷，出現大幅度的降溫，同樣可以保證在此過程中Al－Ti－C體系反應完全，產物純凈。由圖4可知，涂層組織致密，生成的TiC顆粒隨著TiC含量的增加，顆粒尺寸逐漸減小，其形貌由長條狀向粒狀轉化。復合涂層形貌變化規律與自蔓延產物形貌相同，主要由于TiC含量較低，體系放熱量較少，反應初期部分Al3Ti局部熔化，TiC以殘留Al3Ti為核心形成，呈條狀。隨著TiC含量的增加，體系的放熱量不斷提高，反應初期局部熔化Al3Ti數量及體積都在減少，條狀顆粒隨之減少，粒狀顆粒相應增加。當TiC含量增大至40%，Al3Ti完全融化，增強相的形態也完全轉變為粒狀。

圖5為40%TiC/Al3Ti表面復合材料的EDS分析結果。圖5a為基體相電子能譜分析（EDS）分析結果，主要含有Al、Ti元素，且原子比近似為3∶1，結合上述XRD分析結果，可以確定基體相為Al3Ti。圖5b是顆粒相EDS分析結果，由圖5b可知其含有Ti、C元素，同樣結合XRD分析結果，可以確定顆粒相為TiC。

圖5 40%TiC/Al3 Ti復合涂層的EDS分析

TiC/Al3Ti復合涂層橫截面形貌如圖6所示，左邊為鐵基體，右邊為TiC/Al3Ti復合涂層，中間部位為復合涂層界面結合處。TiC/Al3Ti涂層與鐵在界面呈良好的冶金結合，局部區域有少量氣孔，無裂紋存在，結合處有明顯的過渡區。復合涂層基體上均勻地分布大量TiC顆粒。

圖6 30%TiC/Al3 Ti復合涂層的橫截面

2.3 表面復合涂層的硬度與磨損性能

圖7所示為不同TiC含量復合涂層的顯微硬度分布。由圖7可知，表面TiC/Al3Ti復合涂層的硬度明顯高于鐵基體的硬度。表層涂層硬度隨著離端面的距離的增大逐漸減小至與鐵基體硬度相同，硬度在沿涂層厚度方向呈明顯的梯度變化。同時，由圖7可以發現，隨著TiC含量的增加，涂層的硬度整體上呈增大態勢，這主要是由于TiC顆粒為硬質顆粒，在復合涂層中作為增強相，其含量的增加必然促使涂層的硬度增大。

圖7 不同復合涂層顯微硬度

圖8所示為鑄鐵基體與表面復合涂層的磨損體積隨環境溫度變化曲線。由圖8可知，表面復合涂層的磨損體積要小于鑄鐵基體的磨損體積，隨著環境溫度的升高此種趨勢越發顯著。伴隨著環境溫度的升高，鑄鐵基體的磨損體積呈明顯上升趨勢；而復合涂層磨損體積變化微小，呈緩慢上升趨勢。從磨損體積角度觀察，在25℃時，鑄鐵的磨損體積為表面涂層的3.43倍；200℃時，鑄鐵的磨損體積為表面涂層的3.96倍；400℃時，鑄鐵的磨損體積為表面涂層的7.33倍。

圖8 鑄鐵基體與表面復合涂層磨損體積

隨著溫度的升高，鋼的強度降低，耐磨性也隨之降低，表面復合涂層的磨損體積總體呈微弱上升趨勢，這是由于金屬間化合物Al3Ti特性和陶瓷顆粒TiC的增強作用的緣故。這說明TiC/Al3Ti表面復合涂層具有較高的高溫強度和高溫耐磨性。綜上分析可知，表面復合涂層的磨損性能要優于鐵基體的磨損性能，此種優勢隨著溫度的升高更為顯著。

3 結論

（1）在熔融鐵液作用下，Al－Ti－C體系反應完全，制備出純凈的TiC/Al3Ti表面復合涂層材料。

（2）表面復合涂層中，TiC顆粒鑲嵌在Al3Ti基體上，涂層致密。當TiC含量較少時，顆粒呈條狀；隨著TiC含量的提高，顆粒尺寸逐漸減小，由長條狀向粒狀及細粒狀轉化。涂層與鐵基體界面為良好的冶金結合。

（3）隨著涂層中TiC含量的增加，材料的硬度有所提高，表面復合涂層的硬度明顯高于鐵基體的硬度。TiC/Al3Ti表面復合涂層的磨損性能要優于鐵基體的磨損性能，且隨著溫度的升高更為顯著。

［1］孫康寧，尹衍升，李愛民.金屬間化合物/陶瓷基復合材料［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］Zhang F，Lu L，Lai M O.Study of Thermal Stability of Mechanically Alloyed Ti－75%Al Powders［J］.Journal of Alloys and Compounds，2000，297（2）：211－218.

［3］Yamaguchi M，Inui H，Ito K.High－temperature Structural Intermetallics［J］.Acta Materialia，2000，48（1）：307－322.

［4］Das G，Mazdiyasni K S，Lipsitt H A，et al.Mechanical Properties of Polycrystalline TiC［J］.Journal of the American Ceramic Society，1982，65（2）：104－110.

［5］Dunmead S D，Munur Z A.Simultaneous Synthesis and Densification of TiC/Ni－Al Composites［J］.Journal of Materials Science，1991，26（9）：2410－2416.

［6］陳國良，林均品.有序金屬間化合物結構材料［M］.北京：冶金工業出版社，1999.

［7］Wang H M，Duan G.Microstructure and Wear Resistance of a Laser Clad Reinforced Cr3Si Metal Silicide Composite Coating［J］.Materials Science and Engineering，2002，A336（2）：117－123.

［8］Duan G，Wang H M.High－temperature Wear Resistance of a Laser－clad γ/Cr3Si Metal Silicide Composite Coating［J］.Scripta Materialia，2002，46（1）：107－111.

［9］李劍鋒，戴瑋瑋，丁傳賢.等離子噴涂碳化鉻－鎳鉻涂層 的 摩 擦 學 特 性 ［J］.摩 擦 學 學 報，1996，16（1）：14－20.

Li Jianfeng，Dai Weiwei，Ding Chuanxian.Tribological Properties of Plasma Sprayed Chromimun Carbide－ Nickel Chromium Coating［J］.Tribology，1996，16（1）：14－20.