陶瓷增強鋼鐵基復合材料中基體與陶瓷的選擇

汝娟堅 賀涵

摘? 要：陶瓷增強鋼鐵基復合材料廣泛應用于工業生產中，基體及陶瓷的選擇尤為重要。文章分析了選擇高鉻鑄鐵及高錳鋼作為基體及不同陶瓷顆粒作為增強體的原因。根據鋼鐵與陶瓷材料之間潤濕性差的問題，介紹了改善陶瓷顆粒與鋼鐵基體的潤濕性的方法。

關鍵詞：陶瓷增強鋼鐵基復合材料;高鉻鑄鐵;高錳鋼;潤濕性

中圖分類號：TG257? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0127-02

Abstract： Ceramic reinforced iron and steel matrix composites are widely used in industrial production， and the selection of matrix and ceramics is particularly important. In this paper， the reasons for choosing high chromium cast iron and high manganese steel as matrix and different ceramic particles as reinforcements are analyzed. According to the problem of poor wettability between iron and steel and ceramic materials， the methods to improve the wettability between ceramic particles and iron and steel matrix are introduced.

Keywords： ceramic reinforced iron and steel matrix composites; high chromium cast iron; high manganese steel; wettability

1 概述

陶瓷增強鋼鐵基復合材料是先進復合材料的重要組成部分，主要作為高效耐磨材料應用于機械、礦山、水泥、電力、冶金、船舶、化工和煤炭等工業領域中，消耗量巨大，因此耐磨復合材料近年來逐漸成為耐磨材料領域的研究熱點[1]。但是，鋼鐵液與陶瓷的潤濕性差，所以制備陶瓷/鋼鐵復合材料相當困難;同時陶瓷/鋼鐵界面基本為機械結合，結合強度低，復合材料力學性能低，導致該復合材料在抗磨損服役過程中，可靠性和耐磨性較差。因此陶瓷增強鋼鐵基復合材料基體與陶瓷的選擇尤為關鍵，同時改善鋼鐵液與陶瓷的潤濕性也格外重要。

2 鋼鐵基體與陶瓷的選擇

2.1 鋼鐵基體的選擇

（1）高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵中碳化物類型主要有三種，分別為（Fe，Cr）23C6、（Fe，Cr）7C3和（Fe，Cr）3C。M7C3的晶體硬度為1200-1800 HV，高于M3C（840-1100 HV）及M23C6（1000-1100 HV）。由于高鉻耐磨鑄鐵中鉻元素含量以及鉻碳比較高，所以碳化物是以（Fe，Cr）7C3為主要形式存在的[2-3]。

選用高鉻鑄鐵作為基體材料有以下三個優點：第一，高鉻鑄鐵由于馬氏體的存在而具有優異的耐磨性能以及較高的強度。既保證了對陶瓷增強體的承載作用，又提高了復合材料整體的耐磨性。第二，該金屬的高溫流動性較好，能更好的滲入到預制體的孔隙中。第三，高鉻鑄鐵與陶瓷不會因高溫的作用下而生成脆性相，影響使用壽命。

（2）高錳鋼

高錳鋼作為一種抗沖擊耐磨材料廣泛應用于冶金礦山、煤炭、電力等行業。高錳鋼是一種延性耐磨材料，沖擊韌性很高，室溫下高達aku276.6。屈強比較低，Rel334-409MPa，Rm607-980MPa，有很強的應變硬化能力。但在未充分硬化前，其耐磨性能并不高。

高錳鋼經過不同的熱處理工藝而產生不同的相及組織，從而使其硬度不同。

鑄態的高錳鋼組織中有碳化物和共析組織，其硬度隨碳化物的含量增高而增大，一般HB200-230范圍內。水韌處理后的硬度HB170-230范圍內，主要為固溶強化。加工硬化的硬度能夠達到HB600，這種高硬度適合于多種耐磨工況，也是高錳鋼作為優異的耐磨材料的主要原因。

2.2 陶瓷顆粒的選擇

依據陶瓷顆粒增強金屬基復合材料在不同工況下的應用及性能的要求，對陶瓷顆粒的選擇具有以下標準：

（1）陶瓷顆粒的性能

比如高強度、高韌性、高硬度、高比強度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及化學穩定性好等性能。

（2）陶瓷顆粒與金屬基體的潤濕性

陶瓷與金屬之間的潤濕性是衡量金屬陶瓷組織結構與性能優劣的關鍵條件，潤濕性越好，金屬液越容易對陶瓷預制體進行浸潤，金屬相形成的連續相可能性越大，因此復合材料的性能越好。

（3）陶瓷顆粒的化學穩定性

在高溫下制備復合材料時，由于金屬和陶瓷性質上的差別，極易發生界面反應及脆性相的生成，嚴重影響復合材料性能，因此選用的陶瓷與金屬應具有良好的化學相容性。

（4）陶瓷顆粒的成本

若使復合材料能夠實現工業化，除了滿足性能上的要求，材料的來源的廣泛性，成本的低廉性尤為重要。

Al2O3陶瓷顆粒不僅價格低廉（約為WC成本的2%）、且耐高溫磨損、耐腐蝕性能更為優異，與鋼鐵基體的熱膨脹系數更為匹配;隨著氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）陶瓷的發展和成熟又大大提高了Al2O3陶瓷顆粒的韌性，因此近十年來高性能低成本ZTA顆粒（ZTAp）增強鋼鐵基復合材料的研發特別受到關注。

3 陶瓷與金屬的潤濕性

金屬與陶瓷材料之間潤濕性的研究是制備陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的關鍵[4]。從陶瓷-金屬的界面結合方式來看，包括反應性潤濕和非反應性潤濕。由于反應性潤濕過程中會有化學反應發生，使這個潤濕過程在中間層上進行，能夠有效促進界面結合。而在非反應性潤濕過程中，液態金屬的表面張力具有重要影響。因此，金屬基體與陶瓷相的潤濕性，不但是決定金屬基復合材料工藝成敗和材料性能優劣的重要因素之一，而且還對冶金、鑄造、陶瓷連接、焊接、涂層技術等有重要影響。目前常用的改善陶瓷與金屬潤濕性的方法主要有以下幾種：

3.1 合金化

金屬合金化是最為簡單有效的方法，因此得到了廣泛應用。在金屬基體中添加合金元素，使合金元素在液態金屬表面及固/液界面吸附與富集，降低液態金屬表面張力及固/液界面張力;合金元素在固/液界面發生界面反應，形成界面反應產物，從而降低接觸角。

3.2 熱處理

熱處理方式對于提高金屬與陶瓷顆粒間的潤濕性具有顯著影響，因此被廣泛運用于陶瓷-金屬復合材料中。經過熱處理后的陶瓷表面氧含量減少，可以減少金屬與陶瓷之間氧化反應的產生，促進金屬與陶瓷間元素的相互擴散。另外，電磁攪拌也能夠起到相似的作用，超聲攪拌還能夠形成負壓區，從而降低陶瓷與液態金屬間的表面張力。

3.3 表面涂層技術

表面涂層技術是指利用相應的表面技術在基體表面制備出性能優于基體材料的表面層，其中包括氣相沉積、電鍍、化學鍍、熱噴涂技術等。表面涂層技術通過新的涂覆物質取代金屬與陶瓷的直接接觸，從而提高體系的潤濕性。涂層必須滿足以下條件：促進潤濕;穩定性好，能防止擴散和界面反應的發生;有一定強度，保證材料的綜合性能。

為了改善陶瓷顆粒與金屬基體界面的潤濕性，提高界面的結合強度，國內外學者作了大量的工作，其中利用金屬涂層來改善潤濕性的研究較多。由于鋼鐵基體與Al2O3、ZrO2、ZTA間的潤濕角較大，潤濕性不好，但是通過對陶瓷顆粒表面進行金屬包覆后，其潤濕角能夠明顯減小，而SiC、TiC、WC等碳化物與鋼鐵基體的潤濕性則較好[6，7]。相比之下，鋁基體與氧化物、碳化物陶瓷間的潤濕性也很差，但是通過添加合金元素也能夠使陶瓷顆粒和金屬液潤濕性得到改善。

4 結束語

綜上所述，陶瓷增強鋼鐵基復合材料的應用范圍廣泛，但需要針對不同工況對鋼鐵基體及陶瓷進行選擇，以便制備出的陶瓷/鋼鐵復合材料性能更好。通過合適的改善潤濕的方法，使陶瓷/鋼鐵復合材料界面結合能力更強，力學性能更佳。

參考文獻：

[1]李衛，中國鑄造耐磨材料產業技術路線圖[M].2011.

[2]陳惠芬，胡靜霞.高鉻鑄鐵中的碳化物研究[J].上海應用技術學院學報（自然科學版），2003，3（3）：166-168.

[3]任福戰，趙維民，王如，等.高鉻鑄鐵里的碳化物形貌對力學性能的影響[J].中國鑄造裝備與技術，2007（2）：23-26.

[4]Delannay F， Froyen L， Deruyttere A. The wetting of solids by molten metals and its relation to the preparation of metal-matrix composites composites[J]. Journal of Materials Science， 1987， 22（1）：1-16.

[5]陳名海，劉寧，許育東.金屬/陶瓷潤濕性的研究現狀[J].硬質合金，2002，19（4）：199-205.

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