兩種納米陶瓷粉體強化ASTM G2500的性能

王艷亮，楊軍，嚴進，陳美玲

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028;2.西安財經學院 統計學院，陜西 西安710100)*

0 引言

ASTM G2500是鑄造生產中最常見的一種鑄造合金，憑借其良好的鑄造性能，成本低等優點，在工業生產中得到廣泛的應用.同時由于ASTM G2500中的石墨以片狀形式存在，使其有良好的耐磨性、減震性和較低的缺口敏感性，被廣泛用于機床機身、鉆井機油泵葉片等需要減震耐磨的場合.試驗所用陶瓷粉體是一種典型的強共價鍵化合物材料，具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高硬度、高彈性模量、高熱導率、高溫強度好、熱膨脹系數小、抗熱震性好等優點，已經在很多領域尤其是在航空航天、機械、冶金、能源、環保、化工、醫學、電子、軍工等高尖端技術領域得到了廣泛的應用，作為顆粒增強體也常被用在金屬基復合材料的制備中［1-3］.

為了進一步提高ASTM G2500的力學性能，采用兩種納米陶瓷粉體，以普通ASTM G2500為試驗材料，在生產條件下制備ASTM G2500試樣，研究了添加納米陶瓷粉體后ASTM G2500的顯微組織和力學性能.

1 試樣材料和方法

試驗所用原材料為ASTM G2500，其化學成分如表1所示，熔煉溫度為1 550℃，包內孕育(硅鐵孕育劑，加入量0.15%).鐵液出爐前，將不同質量分數的納米陶瓷粉體置于澆包底，用熔化的鐵液沖入，無需攪拌，保溫靜置，然后進行砂型澆注，澆注溫度為1 380℃，然后冷卻得到 ASTM G2500試樣.試驗所用的納米陶瓷粉體A、B的加入量如表2所示.

表1 ASTM G2500的化學成分 %

表2 納米陶瓷粉體A、B的加入量

用ZEISS顯微鏡(OLYMPUSBX-51)觀察其石墨形態，并在4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察其強化材料的基體組織.

室溫拉伸試驗在液壓式萬能試驗機(WE300)上進行，拉伸試樣的尺寸符合國家標準GB T6397 1986;硬度試驗在布氏硬度試驗機(HB3000)上進行.

2 金相組織和分析

2.1 添加納米陶瓷粉體A的鑄態金相分析

鑄態金相組織如圖1所示.由圖1可見，添加納米陶瓷粉體前后ASTM G2500中的石墨均以A型石墨為主，未添加納米陶瓷粉體A的試樣里石墨分布比較凌亂，不太規則;添加了納米陶瓷粉體A的試樣石墨明顯變細，同時石墨線條有所減小，并且分散均勻;同時隨著納米陶瓷粉體A的添加量不同石墨細化的現象更為明顯.

圖1 添加納米陶瓷粉體A鑄態金屬的石墨形態及基體組織(200×)

除石墨的形態有變化外，試樣的基體組織也有變化，經過4%硝酸酒精溶液腐蝕后基體組織如圖1所示.ASTM G2500的基體組織由珠光體和鐵素體組成，與未添加納米陶瓷粉體A的試樣相比，加入納米陶瓷粉體A后，基體組織中鐵素體的含量明顯增多.

2.2 添加納米陶瓷粉體B的鑄態金相分析

鑄態金相組織如圖2所示.由圖2可見，未添加納米陶瓷粉體B的試樣石墨分布比較不規則，且形狀大小不均勻;添加了0.05%納米陶瓷粉體B以后石墨的形狀變大，分布有了一定方向性，且數量減少;添加量達到0.15%時石墨的形狀有細化的現象，同時石墨的端部有銳化的趨勢.

經過4%硝酸酒精溶液腐蝕后基體組織如圖2所示.與未添加納米陶瓷粉體B的試樣相比，加入納米陶瓷粉體B后，基體組織中珠光體的含量明顯增多，其中以B5的珠光體基數為最大.

圖2 添加納米陶瓷粉體B鑄態金屬的石墨形態及基體組織(200×)

3 力學性能分析

3.1 添加納米陶瓷粉體A的力學性能

圖3 納米陶瓷粉體A不同添加量對試樣力學性能的影響

由圖3可知，加入納米陶瓷粉A并沒有明顯提高ASTM G2500的力學性能，納米陶瓷粉體A含量為0.05%時，其抗拉強度和硬度均有所降低，抗拉強度降低12.78%，硬度降低10.87%;納米陶瓷粉體A含量為0.15%時，其抗拉強度略微提高6.67%，硬度降低8.36%.這與金相組織中珠光體含量降低，鐵素體含量升高的趨勢基本一致.

3.2 添加納米陶瓷粉體B的力學性能

由圖4可知，加入納米陶瓷粉體B能夠提高ASTM G2500的力學性能，納米陶瓷粉體B含量為0.05%時，試樣的抗拉強度提高10.76%，硬度提高1.63%;納米陶瓷粉體B含量為0.15%時，試樣的抗拉強度提高12.97%，硬度降低1.63%.這與金相組織中珠光體含量升高，鐵素體含量降低的趨勢基本一致.

圖4 納米陶瓷粉體B不同添加量對試樣力學性能的影響

4 結論

(1)添加納米陶瓷粉體A的試樣其石墨短小，分散均勻，并隨著粉體A添加量的增多石墨變細，同時基體組織中出現了相對較多的鐵素體;試樣的抗拉強度有變化，添加量為0.05%時降低12.78%，添加量為0.15%時提高6.67%;硬度均有所降低，添加量為0.05%時降低10.87%，添加量為0.15%時降低8.36%;

(2)添加納米陶瓷粉體B的試樣其石墨分布有一定的方向性，還出現了細化和端部銳化的現象，并且試樣的基體組織中珠光體數量都有增加;試樣的抗拉強度均增加，添加量為0.05%時提高10.76%，添加量為0.15%時提高12.97%;硬度變化不大，添加量為0.05%時提高1.63%，添加量為0.15%時降低1.63%.

［1］朱正吼，陳其善.鑄造SiC/鋼基復合材料中粒子分布特點［J］.熱加工工藝，1995(2):8-9.

［2］樊振軍，汪翔，劉君武，等.SiC顆粒對燒結鐵基復合材料性能的影響［J］.合肥工業大學學報，2001，24(6):1079-1082.

［3］劉君武，丁厚福，鄭治祥.SiCp/Fe復合材料斷口分析［J］.理化檢驗—物理分冊，2003，39(4);184-187.

［4］楊軍，高宏，翟玉春.用改性納米SiC粉體強化灰鑄鐵性能的研究［J］.現代鑄鐵，2009:28-30.

［5］李建衛，陳美玲，高宏.改性納米SiC粉體強化球墨鑄鐵的耐磨損性能［J］.潤滑與密封，2007(4):47-49.