原位生成（Fe，Cr）7C3/Fe復合材料的磨料磨損性能

陳 哲，康 猛，葉芳霞，王亮亮，鐘黎聲，燕映霖

（西安建筑科技大學機電工程學院，耐磨材料研究所，西安 710055）

0 引 言

金屬基復合材料高的強度、硬度、剛度以及優良的耐磨損、耐腐蝕性能受到科研工作者的廣泛關注，并成為復合材料研究的重要方向［1－3］。利用原位反應法制備顆粒增強金屬基復合材料是目前金屬基復合材料（MMCS）研究領域的熱點之一，采用該方法制備的增強相具有高的硬度和彈性模量，并具有良好的熱力學穩定性以及尺寸細小、分布均勻、界面潔凈與基體結合良好等特點，從而達到強化金屬基體的目的［4－6］。原位生成的（Fe，Cr）7C3增強顆粒具有高的硬度（1 300～1 800HV）［7］，且其原材料豐富，成本低，在低應力和高應力磨料磨損領域得到廣泛應用，具有良好的發展前景。

目前，關于Cr7C3或（Fe，Cr）7C3顆粒增強鐵基復合材料的研究很多［8－10］。這些研究基本是以粉體為原料來制備 M7C3或（Fe，Cr）7C3顆粒增強鐵基復合材料的，而康猛［11］等采用純鉻絲與灰鑄鐵為原料，通過原位反應生成了（Cr，Fe）7C3，制備出具有高體積分數的（Cr，Fe）7C3/Fe復合材料，并研究了不同保溫時間下組織的變化特征，但未對其耐磨性作深入研究。因此，作者在其試驗基礎上制備了含有不同體積分數（Cr，Fe）7C3增強體的鐵基復合材料，并對其進行磨料（Al2O3）磨損試驗，對其磨損性能做了較為深入的研究。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

利用HT250灰鑄鐵（化學成分見表1）與純鉻絲（純度大于99%，直徑為1.0mm）原位反應制備（Fe，Cr）7C3/Fe復合材料，使純鉻絲提供的鉻原子與灰鑄鐵提供的碳原子在高溫下擴散、反應并生成（Fe，Cr）7C3硬質顆粒。具體方法：先按一定成分配比計算出所需HT250灰鑄鐵及純鉻絲的質量，然后用電火花切割機將HT250灰鑄鐵切割成柱狀通孔（孔直徑為1.0mm）的試樣，如見圖1所示；將純鉻絲直接鑲嵌入HT250灰鑄鐵基體中，通過調整鉻絲的根數（10，12，14，16根）來調節復合材料中的鉻含量，分別制備出鉻含量（質量分數，下同）為15%，17%，20%，23%的復合預制體；再將復合預制體置于石墨坩堝中，在GSL-1400X型管式加熱爐內加熱，加熱溫度為1 220℃，保溫30min后出爐空冷，氬氣流量為5mL·min－1，制備的復合材料分別記為S1、S2、S3、S4試樣。

表1 HT250灰鑄鐵的化學成分 （質量分數）Tab.1 Chemical composition of gray pig iron HT250（mass） %

圖1 試樣的尺寸及形狀Fig.1 Size and shape of the sample

1.2 試驗方法

用電火花切割機將上述制備的試樣以及HT250灰鑄鐵、BTM20Cr高鉻鑄鐵切割成6mm×20mm的磨損試樣，用超聲波清洗后放入干燥箱烘干，然后在ML-100型干式銷盤磨損試驗機上進行磨損試驗，載荷選擇5，10，15，20N，磨料選用粒徑124μm的石英（Al2O3）砂紙，圓盤轉速60r·min－1，每次持續2min。用天平稱取試樣磨損前后質量，計算試樣磨損量即磨損前后的質量差。

用D/max-RB型X射線衍射儀（XRD）測試樣的物相組成；用JST-6700F型掃描電鏡（SEM）觀察試樣的顯微組織，腐蝕液為體積分數為4%的硝酸酒精溶液；用HVT-1000型顯微硬度計測試樣的維氏硬度，取5個點的平均值。

用Image-Pro Plus 6.0軟件測定復合材料中（Cr，Fe）7C3碳化物的體積分數，方法如下：將待測復合材料組織照片導入Image-Pro Plus 6.0軟件，先選定所需視場，設其總面積為AT；然后測出待測顆粒的總面積為Aα，則面積分數AA＝Aα/AT；最后取適當倍數下的N個視場進行測定，取其平均值作為碳化物的體積分數。

2 試驗結果與討論

2.1 物相組成

由圖2可以看出，所制備復合材料的主要物相為（Fe，Cr）7C3碳化物、鐵 素 體 （α-Fe）及奧氏體（γ-Fe），且無純金屬鉻的特征峰。這說明，經過30min的保溫，金屬鉻已完全溶解并與基體中的碳發生了原位反應，反應完全。

2.2 顯微組織及硬度

通過軟件測得S1、S2、S3、S4試樣的碳化物體積分數分別為37%，46%，62%，71%。

由圖3可以看出，隨試樣中鉻含量的增多，碳化物的體積分數逐漸增大。

圖3 不同試樣的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of different samples：（a）sample S1；（b）sample S2；（c）sample S3and（d）sample S4

從表2中可以看出，隨復合材料中碳化物體積分數的增加，復合試樣的平均顯微硬度也隨之增大，S4試樣的最高，為1 453HV0.1。

表2 不同試樣的顯微硬度Tab.2 Microhardness of different samples HV0.1

2.3 磨損性能

由圖4可見，隨碳化物體積分數的增加，試樣的磨損量先減小然后略有增加；S3試樣的磨損質量最小，S4試樣的磨損質量較之略有增加。可見，在氧化鋁砂紙磨損條件下，S3試樣的耐磨性最好。

圖4 在5N載荷下不同試樣的磨損量Fig.4 Wear mass loss of different samples at the load of 5N

增強相（碳化物）在復合材料中所占的體積分數不是越大越好的，增強相的體積分數越大，基體所占比例就越小，從而使得基體對增強相的支撐固結作用越來越弱，在磨料對增強顆粒的沖擊力作用下，增強顆粒與基體的結合面更易受到破壞，而使破碎顆粒剝落。當碳化物體積分數從62%增至71%時，復合材料的硬度從1 400HV增至1 453HV，增幅不是很大，所以依靠磨料顆粒對材料的切削、犁削作用而產生的磨損量也應該不會相差太大，而且碳化物體積分數為71%時復合材料的磨損量應該比62%時的小，但實際情況并非如此。這是因為，在載荷為5N時，（Fe，Cr）7C3顆粒在Al2O3磨料顆粒的沖擊作用下破碎，因基體材料所占比例較少時，破碎顆粒會從基體中發生剝落而造成磨損量增加，所以碳化物體積分數為71%時復合試樣的磨損量比62%時的又略有增加。

從圖5的低倍形貌可見，經Al2O3砂紙磨損后，4個試樣均產生了切削及犁削磨損，磨損表面均存在均勻且連續的犁溝。這主要是由于高硬度的Al2O3磨料顆粒在5N載荷下能夠較深地壓入復合材料中，并在磨損過程中切向力的作用下劃過復合材料表面，對材料產生切削及犁削作用，形成明顯的犁溝。另外，S1、S2、S3試樣磨損面的犁溝上均存在一些與磨損方向垂直的微小凹坑，使犁溝有明顯的凹凸感，S4試樣上的犁溝凹凸感沒有其它三個試樣的明顯，但在一些犁溝上可以看到有凹坑存在。

圖5 不同試樣在5N載荷下磨粒磨損后的SEM形貌Fig.5 SEMmorphology of samples S1－S2at low （a，c，e，g）and high（b，d，f，h）magnifications after abrasive wear test at the load of 5N

對比磨損形貌的局部放大圖可以看出，隨試樣中碳化物體積分數的增多，犁溝上凹坑的寬度及深度都有所減輕，S4試樣上無明顯的凹坑。S1試樣中碳化物的體積分數為37%，相對而言基體所占比例較多，故而單位面積上增強相碳化物顆粒所占比例較少，顆粒間的距離較大。在Al2O3磨料顆粒壓入基體并產生相對運動時，由于基體與增強相的硬度不同，磨料顆粒在基體及增強相上的壓入深度不同，因此，就會在犁溝上形成明顯的凹坑。S4試樣上一些凹坑分布于磨損表面的犁溝上。這些凹坑是由于增強顆粒的剝落而造成的，由于碳化物體積分數過高時，基體的減少將會減小基體對碳化物的支撐及固結作用，同時使基體吸收能量以及減緩外力對顆粒的沖擊作用相對減弱，容易造成破碎顆粒剝落。

由圖6可見，S2試樣受到了明顯的切削作用，破碎的碳化物顆粒分布于犁溝中，很明顯磨料將基體及碳化物增強顆粒一同切削掉。可見，在硬磨料磨損條件下，（Fe，Cr）7C3增強相對基體不能起到很好的增強作用。

從圖7可以看出，在不同載荷下，HT250灰鑄鐵的磨損量遠高于復合材料及BTM20Cr高鉻鑄鐵的，且不在一個數量級上。而復合材料與高鉻鑄鐵的磨損量無太大的差別，說明在硬磨料條件下，這兩者的磨損性能相當。

圖6 在5N載荷磨損后S2試樣縱截面的SEM形貌Fig.6 SEMmorphology of longitudinal section of sample S2worn at the load of 5N

圖7 不同材料的載荷與磨損量關系曲線Fig.7 Wear mass loss vs load for different materials

由圖8可以看出，在20N載荷下HT250灰鑄鐵上的切削痕最為明顯，BTM20Cr高鉻鑄鐵與復合材料S3試樣上均為較細小的切削痕，且差別不大。另外，從HT250灰鑄鐵的磨損形貌可以看到，一些與磨損方向垂直的裂痕分布于基體上。這是由于灰鑄鐵基體相對硬度較低，磨料顆粒壓入較深，在磨損過程中塑性基體產生加工硬化現象而變脆，在切向力的作用下發生撕裂。復合材料及BTM20Cr高鉻鑄鐵上除了有切削痕外，還分布著一些由破碎顆粒剝落而形成的剝落坑，并且復合材料上的剝落坑明顯多于BTM20Cr高鉻鑄鐵上的；同時從圖8（d）可以看出，在Al2O3的作用下，BTM20Cr高鉻鑄鐵中的大部分碳化物增強相是與基體一同被切削掉的。

圖8 20N載荷下不同材料的磨粒磨損形貌Fig.8 Abrasive wear morphology of composites（a）（b），BTM20Cr high-chromium iron（c）（d），and HT250grey iron（e）（f）at low and high magnifications at the load of 20N

3 結 論

（1）通過調整鑄鐵中鉻絲的根數，可以原位反應制備出不同含量（Fe，Cr）7C3顆粒增強鐵基復合材料。

（2）在Al2O3硬磨料條件下，載荷為5N時，碳化物體積分數為62%的復合材料的耐磨性最好；各試樣的磨損均是由于磨料顆粒對材料進行切削造成的，對于碳化物體積分數為71%的復合材料而言，還包括一些破碎增強顆粒的剝落。

（3）碳化物體積分數為62%的復合材料與HT250灰鑄鐵及BTM20Cr高鉻鑄鐵在相同的磨損試驗條件下，磨損量均隨載荷的增加而增大；該復合材料的磨損量與BTM20Cr高鉻鑄鐵的較為接近，而鑄鐵的磨損量最大。

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