納米TiC增強高鉻鑄鐵鑄滲層組織與性能

張林光，謝敬佩，邵星海，李 炎，王愛琴

（河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471023）

0 引言

近年來，國內外的一些學者利用原位反應法制備出了鐵基復合材料［1－2］。但是他們制備的大多是整體復合材料，這種材料雖然耐磨性有所提高，但韌性明顯降低，并且成本較高、回收困難。在實際應用中，零件的使用壽命主要取決于其表面層的耐磨性［3］。因此，理想的零件組織應該是零件表面層含有相當數量的增強相顆粒，而其母體仍保持原有的組織和成分，從而使零件表面具有高的耐磨性，而本體仍保持較高的強度和韌性。通過鑄滲工藝，在中碳鋼表面得到一層耐磨的高鉻鑄鐵鑄滲層，具有以上理想零件組織［4－6］。盡管高鉻鑄鐵鑄滲層在常溫下具有很高硬度和良好耐磨性，但是高鉻鑄鐵存在熱疲勞抗力差和脆性大等不足，在高溫工作環境下硬度顯著下降，耐磨性能顯著下降，工作后的磨損破壞仍然非常嚴重。相關文獻報道將WC、TiC等增強顆粒加入到高鉻鑄鐵鑄滲層中，進一步提高了表面合金的耐磨性［7－8］。但是將納米粒徑的增強顆粒加入到鑄滲層的研究鮮有報道。

納米材料由于具有獨特的機構特征（納米晶粒及高濃度界面），以及表現出的一系列與常規材料有著本質差異的理化及力學性能，使得納米材料的研究成為目前材料科學研究的熱點［9］。納米TiC顆粒具有硬度高、熔點高、化學穩定性好、高模量、與金屬的膨脹系數小等特點。基于以上考慮，本文采用普通的砂型鑄滲工藝在ZG35表面制備納米TiC-高鉻鑄鐵鑄滲層，并對其顯微組織和力學性能進行了研究。

1 試驗方法及過程

1.1 鑄滲層材料的制備

試驗材料選用ZG35作為基體金屬，合金粉采用納米TiC（合肥開爾納米有限公司生產）和40～100目高碳鉻鐵粉末，硼砂作為溶劑，酚醛樹脂作為黏結劑，酒精作為調和劑。將高碳鉻鐵粉、硼砂和酚醛樹脂在攪拌機上充分混合后用酒精調和成糊狀，作為鑄滲劑1；將加入納米TiC的高碳鉻鐵粉（高碳鉻鐵粉中TiC質量分數為1%）、硼砂和酚醛樹脂在攪拌機上充分混合后用酒精調和成糊狀，作為鑄滲劑2。將鑄滲劑涂層編號后分別涂于砂型內壁，點燃烘干后用1580℃的ZG35金屬液澆鑄。冷卻成型后得到具有5～6 mm厚的鑄滲層。

1.2 鑄滲層的性能測試

在鑄件的窄道區域取樣，線切割加工成10 mm×10 mm×10 mm方塊試樣和10 mm×10 mm×0.5 mm（在鑄滲層中取樣）薄片試樣用于顯微組織分析。將方塊試樣磨平拋光用王水腐蝕后，在配有能譜儀（EDAX）的JSM-5610LV掃描電鏡（SEM）下進行分析；將薄片試樣制備成厚度為50μm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下觀察。將方塊試樣進行正火處理（870℃下保溫1 h后空冷），使用HV-1000型顯微維氏硬度計測量其硬度，載荷為5 N，并進行耐磨性測試。

耐磨性能在ML-100型磨料磨損實驗機上進行。試樣為φ6 mm×20 mm銷形試樣，配副材料選擇240目的水砂紙，加載荷0.35 MPa，每個試樣磨損20個回程。磨損螺旋線S由下式計算：

得出0.5個回程的滑動距離S，最終求得每個試樣的滑動距離為754.2 m。試驗進行前對每個試樣進行3 m in預磨，以磨平、磨光端面為標準。磨損試驗前后，將試樣取下在酒精中用超聲波清洗5 m in，干燥后在感量為0.1 mg的光電天平上稱量出試樣的磨損質量損失。每種成分測量3個試樣，并求出質量損失平均值作為該種成分試樣的抗磨粒磨損性能指標。

2 試驗結果和討論

2.1 鑄滲層微觀組織觀察與成分分析

圖1為試樣結合界面處SEM像和能譜線掃描圖。圖1a中，A區為ZG35鋼，C區為鑄滲層，在兩者之間有一個寬25μm的過渡層（見圖1a中B區），結合界面犬牙交錯。由圖1b和圖1c可以看出：合金粉末中的鉻元素跨越結合界面向鋼液中擴散，鋼液中的鐵元素跨越結合界面向合金粉末中擴散，結合界面處Fe、Cr元素呈現明顯的濃度差。這說明結合界面處的熱作用較強烈，涂敷層中的合金顆粒在熱作用下熔化、擴散并被鋼液稀釋，并與鋼液互滲從而在結合界面處產生明顯的過渡層。通過分析可知：ZG35與表面的鑄滲層呈良好的冶金結合。

圖1 結合界面處SEM像和能譜線掃描圖（A為ZG35鋼，B為過渡層，C為鑄滲層）

圖2為鑄滲層組織SEM像。圖2a和圖2b分別為鑄滲劑中不添加納米TiC和鑄滲劑中添加質量分數為1%的納米TiC的鑄滲層組織放大200倍后的SEM像。由圖2可看出：當不添加納米TiC時，組織晶粒較大，碳化物網狀分布較為集中；當鑄滲劑中加入質量分數1%納米TiC時，組織達到一定程度的細化，碳化物網狀分布較為分散。這主要是由于納米TiC顆粒屬于硬質點，其穩定性好，熔點高達3200℃，高熔點的納米顆粒在鑄滲過程中隨著合金元素的擴散，以固態顆粒形態分散于金屬液中。納米TiC顆粒作為硬質形核質點加快了低碳低鉻區域的凝固，使得低C低Cr濃度區域和高C高Cr濃度區域間的元素擴散受到了抑制，共晶成分的區域增大，因此，碳化物的數量增多。同時，納米顆粒可作為外來異質形核，促進了共晶液相大量的非均勻形核并抑制了晶粒的長大。因此，可認為納米TiC能夠起到細晶強化作用，促進碳化物的均勻析出。

細晶強化實質上是晶界強化。晶界是位錯運動的障礙，晶界面積愈大，鋼的強度愈高；晶粒尺寸愈細，晶界面積愈大，即平均晶粒尺寸愈細，鋼的強度愈高。提高晶界本身的強度，也會導致鋼強度的提高。細晶強化的理論基礎是Hall-Petch公式［10］：

式中，△σG為屈服極限；σ0為晶格摩擦力；d為晶粒直徑；ky為與材料有關的參數。

圖2 鑄滲層組織SEM像

Hall-Petch公式認為結構鋼材的主要強化機制是細晶強化。材料的屈服強度取決于使位錯源運動所需的力、位錯網給予移動位錯的阻力和晶界對位錯的阻礙大小。晶粒越細小，晶界就越多，障礙也就越大，需要加大外力才能使晶體產生滑移。所以，晶粒越細小，材料的屈服強度就越大。

圖3為ZG35與鑄滲層結合界面區的透射電子（TEM）像，圖3中箭頭所指為結合界面，結合界面兩側分別為ZG35區域和鑄滲層區域，對結合界面和鑄滲層區域進行EDAX分析，結果如表1和表2所示。由表1和表2可看出：結合界面處與鑄滲層均有Ti的存在，這說明有納米TiC顆粒的分布。而且納米TiC更趨向于分散在界面上（界面處Ti原子分數為0.31%，高于鑄滲層側的0.21%），其活性有助于提高鑄滲的效果。

圖3 結合界面TEM像

表1 結合界面處EDAX分析

表2 鑄滲層EDAX分析

對鑄滲層中的基體進行TEM分析，結果如圖4所示。通過電子衍射花樣標定可知：鑄滲層基體為奧氏體，奧氏體中的黑色顆粒為納米TiC。納米TiC顆粒作為第二相粒子彌散分布于奧氏體基體中，使奧氏體晶格發生畸變，從而使鋼的硬度和強度得到提高，起到彌散強化作用。

圖4 鑄滲層基體的TEM像和電子衍射花樣的標定

2.2 鑄滲層顯微硬度和磨粒磨損性能檢測

鑄滲層厚度宏觀測定為5 mm左右，圖5為鑄滲層至ZG35區的硬度測試結果。由硬度測試結果可以看出：從鑄滲層表面到ZG35區，鑄滲層的硬度為600HV～730HV，呈先增后減趨勢。ZG35區的硬度為200HV左右，結合界面處硬度為420HV左右。分析鑄滲層至ZG35區的顯微硬度變化規律的原因是：鑄滲層表面靠近型壁，型壁具有極冷作用，合金粉末未能被鋼液余熱完全融化，鑄滲效果稍差，因而硬度稍低；距離結合界面2～3 mm處，合金粉末濃度適合且完全融化，鑄滲效果最好，形成碳化物硬度最高；越靠近結合界面處的合金粉末被鋼液稀釋程度越大，形成的碳化物硬度緩慢降低。鑄滲層的硬度明顯高于ZG35，這是由于高碳鉻鐵粉（主要組成為鐵鉻碳化物）融化分解后在鑄滲層中形成大量高硬度的碳化物。過渡區硬度（430HV左右）介于鑄滲層和ZG35之間。加入1%納米TiC后，鑄滲層的硬度提升不明顯。

兩種材料的耐磨性測試可知：在基材完全相同的情況下，添加1%納米TiC鑄滲層的磨粒磨損量為0.142 0 g，未添加納米TiC鑄滲層的磨粒磨損量為0.122 0 g，添加1%納米TiC鑄滲層的磨粒磨損性能比未添加納米TiC鑄滲層的磨粒磨損性能提高了約14%。原因分析如下：（1）納米TiC使碳化物晶粒得到細化，且分散更為均勻，起到細晶強化的作用，從而使耐磨性提高；（2）納米TiC彌散分布于奧氏體基體中，作為硬質耐磨質點，提高鑄滲層的耐磨性能。

3 結論

（1）ZG35鋼的表面通過鑄滲形成一層鑄滲層，鑄滲層與基體材料呈冶金結合，實現了局部合金強化，鑄滲層組織致密，無顯微缺陷，提高了材料的局部表面層的使用性能。

（2）納米TiC趨向于分散在ZG35與鑄滲層的結合界面上，并作為第二相粒子彌散分布于鑄滲層基體中。納米TiC對鑄滲層的強化作用主要是納米TiC的細晶強化。

（3）鑄滲層的硬度變化趨勢為：從表面向結合界面，先升高后降低，在距離表面2～3 mm處達到最大。添加1%納米TiC的試樣與不添加納米TiC的試樣相比，鑄滲層硬度略有提高。

（4）耐磨性試驗結果表明：添加1%納米TiC鑄滲層材料的磨粒磨損性能比未添加材料的磨粒磨損性能提高了14%。這是由于納米TiC顆粒的細晶強化與彌散強化和對碳化物形態的改善綜合作用的結果。

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