納米TiC顆粒增強(qiáng)導(dǎo)衛(wèi)板表面合金的耐磨性能

路王珂，謝敬佩，邵星海，張銀娣，王 行

（河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

納米TiC顆粒增強(qiáng)導(dǎo)衛(wèi)板表面合金的耐磨性能

路王珂，謝敬佩，邵星海，張銀娣，王 行

（河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

將改性納米TiC通過鑄滲工藝加入到導(dǎo)衛(wèi)板的表面合金層中，可以提高導(dǎo)衛(wèi)板的性能。運(yùn)用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等分析手段，結(jié)合硬度和耐磨性能測(cè)試結(jié)果，得出以下結(jié)論：表面合金層由奧氏體和M7C3型碳化物組成，碳化物呈桿狀或顆粒狀。加入改性納米TiC粉末可以優(yōu)化碳化物的分布形態(tài)，增加合金層的硬度，并提高其干摩擦條件下耐磨性能。當(dāng)鑄滲劑中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的納米TiC后，合金層具有最好的微觀組織和性能。

納米TiC；表面合金；微觀組織；耐磨性

0 引言

導(dǎo)衛(wèi)板是鋼材軋制生產(chǎn)線上重要的輔助裝置，用于誘導(dǎo)、夾持鋼絲的順利通過［1］。鋼材與導(dǎo)衛(wèi)板直接滑動(dòng)接觸，滑動(dòng)速度高達(dá)6 m／s，這要求導(dǎo)衛(wèi)板具有較高的耐磨性能［2］。通過鑄滲工藝在鋼的表面制備高鉻鑄鐵合金層能夠提高導(dǎo)衛(wèi)板的性能，這種方法既能夠大大縮減生產(chǎn)成本，又能夠有針對(duì)性地提高表層材料的高耐磨需求，適合導(dǎo)衛(wèi)板的工作環(huán)境，是一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法［1－6］。近年來，人們通過在合金層中加入剛性硬質(zhì)增強(qiáng)相以進(jìn)一步提高其性能，延長(zhǎng)導(dǎo)衛(wèi)板的使用壽命。但是導(dǎo)衛(wèi)板在高溫環(huán)境下工作，合金的硬度顯著下降，增強(qiáng)顆粒容易從基體上脫落從而導(dǎo)致耐磨性能顯著下降［4－9］。將納米TiC顆粒加入到導(dǎo)衛(wèi)板的表面合金層中，通過其納米尺寸特性對(duì)基體起到增強(qiáng)增韌作用［10－12］，是改良導(dǎo)衛(wèi)板性能的一個(gè)重要嘗試。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備

試驗(yàn)選擇普通砂型鑄滲工藝，使用合肥某公司生產(chǎn)的納米TiC粉末為增強(qiáng)顆粒，自制的高碳鉻鐵粉（粒度為80目，主要成分為鉻鐵碳化物、鉻鎳合金等）為待滲合金粉末材料，中碳鑄鋼ZG270-500為澆注金屬液材料（母材）。圖1是納米TiC粉末的透射電鏡（TEM）像，粒徑為20～60 nm，呈球形顆粒特征。

圖1 納米TiC顆粒的TEM像

將納米TiC粉末、醇溶性酚醛樹脂（黏結(jié)劑）粉末、硼砂（助熔劑）和高碳鉻鐵粉在混料機(jī)上混合均勻，得到鑄滲劑。在鑄滲劑中加入適量的酒精調(diào)成糊狀，并涂敷于砂型內(nèi)壁上得到預(yù)制涂層。將砂型和涂層預(yù)熱到200℃左右，澆注熔煉好的ZG270-500金屬液，凝固成形后將包含表面合金層的部分線切割加工成相應(yīng)的試樣后，用于微觀分析和性能測(cè)試。母材金屬液澆注溫度1 600℃，預(yù)制涂層厚度3～5 mm，砂型選用CO2水玻璃砂型。酚醛樹脂和硼砂在鑄滲劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為4%。納米TiC粉末設(shè)計(jì)4種加入量，在鑄滲劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。

1.2 試驗(yàn)分析方法

運(yùn)用配有能譜儀（EDS）的JSM-5610LV型掃描電鏡（SEM）觀察導(dǎo)衛(wèi)板合金層（鑄態(tài)）的顯微組織形貌。用D-150型洛氏硬度計(jì)測(cè)定表面合金層的硬度。測(cè)量位置在中間區(qū)域（距表面2～3 mm），每組成分測(cè)3個(gè)試樣，每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)點(diǎn)，取平均值作為該成分的硬度指標(biāo)。在ML-100型磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)試合金層的耐磨性能，試樣為φ6 mm×20 mm的銷形試樣，配副材料選擇240目的水砂紙，分別加載荷0.20 MPa和0.35 MPa，滑動(dòng)總距離754.2 m。

2 結(jié)果和分析

2.1 合金層的微觀組織分析

合金層的厚度在5 mm左右，借助SEM、X射線衍射（XRD）等方法對(duì)表面合金層的顯微組織進(jìn)行分析。圖2是不添加納米TiC粉末試樣的SEM圖片和X射線衍射分析結(jié)果。由圖2可以看出：高鉻合金層由奧氏體和M7C3碳化物組成，碳化物分布較為集中，呈網(wǎng)狀包圍著奧氏體枝晶。這是由于高碳鉻合金粉末在1 600℃高溫鋼液熱作用下熔化，得到較大程度的稀釋后形成亞共晶成分。初生奧氏體大量析出后，共晶碳化物在枝晶間最后形成，呈網(wǎng)狀包圍著奧氏體枝晶，但是在部分區(qū)域，碳化物呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布（見圖2中A區(qū)域）。

圖2 不添加納米TiC合金層的SEM像和XRD分析結(jié)果

對(duì)合金層的顯微組織進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：隨著納米粉在鑄滲劑中加入量的增加，M7C3碳化物由緊湊的網(wǎng)狀分布向分散的獨(dú)立分布轉(zhuǎn)變，當(dāng)加入量達(dá)到2%時(shí)再次向網(wǎng)狀分布特征轉(zhuǎn)變。分析納米TiC在鑄滲劑中加入量對(duì)碳化物形態(tài)的影響：高熔點(diǎn)的納米顆粒在鑄滲過程中隨著合金元素的擴(kuò)散，以固態(tài)顆粒形態(tài)分散在合金液中（在共晶成分附近）。固態(tài)的納米級(jí)顆粒與鋼鐵之間具有一定的晶格匹配關(guān)系［10］，可以作為異質(zhì)晶核提高形核率。同時(shí)納米顆粒附著于碳鉻粉的表面，抑制了不同濃度微區(qū)之間的元素?cái)U(kuò)散。凝固過程形核率的增加和元素?cái)U(kuò)散的抑制均能使得共晶成分的區(qū)域增大。因此，加入少量的TiC后，共晶碳化物容易分枝生長(zhǎng)，能夠快速的長(zhǎng)成曲面板條，因而能夠完全包圍著初生奧氏體枝晶生長(zhǎng)，呈連續(xù)的網(wǎng)狀分布（如圖3a所示）；當(dāng)加入較多的納米TiC后，過共晶成分區(qū)域占據(jù)主導(dǎo)地位，凝固形成的碳化物主要為初生M7C3碳化物和共晶M7C3碳化物。呈獨(dú)立的桿狀分散分布，尺寸較為均勻（如圖3b和圖3c所示）；加入過量的納米TiC（2%加入量）后，大量的初生碳化物形成后消耗了主要的C元素，低C區(qū)域初生奧氏體的形成過程同時(shí)進(jìn)行，因而表現(xiàn)為與圖3a相似的網(wǎng)狀碳化物特征，如圖3d所示。

2.2 合金層的性能分析

表1是加入不同含量納米TiC粉末后合金層的洛氏硬度和不同載荷條件下的磨損失重。通過分析可知：隨著加入量的增加，硬度得到顯著提高，當(dāng)鑄滲劑中納米TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.5%時(shí)，硬度變化不再明顯。在納米TiC加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)硬度可達(dá)到HRC52，較不加入納米陶瓷顆粒時(shí)提高了18.18%。這是因?yàn)樵谠摷尤肓肯拢蓟锏姆植驾^為分散且相互獨(dú)立，因而合金層具有較好的強(qiáng)度。

圖3 鑄滲層組織掃描電鏡照片

表1 表面合金層的硬度和磨損性能測(cè)試

由耐磨性測(cè)試結(jié)果可以看出：在0.20 MPa和0.35 MPa兩種載荷條件下，隨納米粉加入量的增加，納米TiC增強(qiáng)合金層的磨損失重均呈先減后增的變化趨勢(shì)，當(dāng)鑄滲劑中加入納米TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，合金層耐磨性能最好，這與微觀分析結(jié)果和硬度測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)。在0.20 MPa載荷下，不加入納米粉時(shí)磨損質(zhì)損為0.097 5 g；在納米TiC加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)磨損質(zhì)損降為0.078 7 g，耐磨性提高19.28%；但是在納米TiC加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)磨損質(zhì)損增大至0.094 4 g，耐磨性降低。在0.35 MPa載荷下，不加入納米粉時(shí)磨損質(zhì)損為0.152 8 g；在納米TiC加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)磨損質(zhì)損降為0.119 5 g，耐磨性提高21.79%；在納米TiC加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)磨損質(zhì)損增大至0.136 5 g，耐磨性降低。分析可知：納米TiC在加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～1.5%范圍內(nèi)能夠優(yōu)化碳化物的分布形態(tài)，從而提高滲層的耐磨性；加入量過多時(shí)，初生碳化物大量析出，密集分布，使得耐磨性下降，甚至不如不加入納米粉的耐磨性。

導(dǎo)衛(wèi)板應(yīng)用于高速線材的導(dǎo)位，在工作狀態(tài)沒有潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑。因此，加入適量的納米TiC可以提高表面合金層的硬度和干摩擦條件下的耐磨性能，增加導(dǎo)衛(wèi)板的使用壽命。

3 結(jié)論

（1）在鑄滲劑中加入納米TiC粉末后，通過鑄滲工藝在導(dǎo)衛(wèi)板表面得到5 mm厚度左右的納米TiC可增強(qiáng)高鉻鑄鐵合金層材料，合金層由奧氏體和M7C3碳化物組成。

（2）納米TiC能夠改善碳化物分布形態(tài)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，碳化物呈均勻分散分布，具有最好的顯微組織形貌。

（3）納米TiC能夠提高合金層的硬度和干摩擦條件下的耐磨性能。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%納米TiC后，合金層的硬度提高了18.18%，在0.20 MPa和0.35 MPa兩種載荷條件下耐磨性分別提高19.28%和21.79%，對(duì)性能的優(yōu)化效果最為顯著。

［1］ 王海棠.導(dǎo)衛(wèi)板負(fù)壓鑄滲法表面改性組織及性能的研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009：3－5.

［2］ 王海斗.導(dǎo)衛(wèi)板失效分析及表面噴涂層的耐磨性能［J］.金屬熱處理，2005，30（8）：39－41.

［3］ 謝敬佩，李衛(wèi)，宋延沛，等.耐磨鑄鋼及熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：1－5.

［4］ 楊膠溪，孫玉宗.WC－高碳鉻鑄鐵鑄滲層耐磨性與顯微結(jié)構(gòu)的研究［J］.現(xiàn)代鑄鐵，1999（4）：9－12.

［5］ 王鎬.金屬基復(fù)合材料應(yīng)用前景廣闊［J］.稀有金屬快報(bào)，2001（4）：12－13.

［6］ Bram fitt B L.The Effects of Carbide and Nitride Additions on the Heterogeneous Nucleation Behavior of Liquid Iron［J］. Met Trans，1970，1（7）：1987－1995.

［7］ 胡城立，陳永泰.復(fù)合合金化鑄鐵磨球性能的研究［J］.機(jī)械工程材料，1995，19（3）：49－52.

［8］ 鹿兆夫.金屬鑄滲的基本原理及其應(yīng)用［J］.鞍鋼技術(shù)，1997（1）：43.

［9］ 潘衛(wèi)東.原位自生（Ti，W）C增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的制備及組織與性能的研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2005：1－10.

［10］ 邵星海，謝敬佩，楊玉江，等.納米TiN增強(qiáng)高鉻鑄鐵鑄滲層耐磨性的研究［J］.鑄造，2013（3）：52－56.

［11］ 謝敬佩，郭正，邵星海，等.納米TiN增強(qiáng)導(dǎo)衛(wèi)板鑄滲層的組織研究［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（5）：1－3.

［12］ 喻惠武，王文焱，謝敬佩，等.改性納米TiN粉末對(duì)ZGMn18Cr2微觀組織和力學(xué)性能的影響［J］.鑄造，2012（5）：15－18.

TB36

A

1672－6871（2014）01－0001－03

河南省國(guó)際科技合作基金項(xiàng)目（084300510006）；河南科技大學(xué)博士科研基金項(xiàng)目（2008bs025）

路王珂（1988－），女，河南周口人，碩士生；謝敬佩（1957－），男，河南安陽(yáng)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事新型耐磨材料及摩擦磨損機(jī)理研究.

2013－05－19