碳化物顆粒增強高錳鋼基復合材料及制備工藝淺析

文/董紀宏

現階段，國家提倡發展超低能耗建筑和建設環保型社會，采礦、運輸及土木工程相關產業對機械零部件的品質提出更高要求，如要求其具備較強的耐磨性、能夠適應高負載和摩擦環境。高錳鋼等新型材料雖然得到一定推廣和應用，但是在使用過程中依然會受到一定限制。基于此，本文圍繞碳化物顆粒增強高錳鋼基復合材料展開研究，分析并探討了該復合材料的制備工藝與應用現狀，旨在為相關研究人員提供參考。

一、碳化物顆粒增強高錳鋼基復合材料簡介

碳化物增強高錳鋼基復合材料是一種新型的高性能復合材料，集合了碳化物和高錳鋼的優點，普遍具有較高的強度和韌性。目前，該復合材料已經被廣泛應用于航空航天、汽車生產、機械制造等領域。近年來，碳化物材料不斷發展，制備工藝也越來越精湛，更多的碳化物材料被用于制備碳化物增強高錳鋼基復合材料，如TiC（碳化鈦）、TiN（氮化鈦）、NbC（碳化鈮）、MoC（碳化鉬）、SiC（碳化硅）、B4C（碳化硼）、WC（碳化鎢）等。這些碳化物材料具有較高的強度和韌性，有助于提高復合材料的性能。

二、碳化物顆粒增強高錳鋼基復合材料制備工藝分類

增強顆粒在基體中多以外加或內部反應兩種方式存在。其中，外加的增強顆粒可能會與氧氣結合而團聚，進而在基體中呈不均勻分布。加之增強相顆粒與基體的濕潤角差距較大，二者相容性較差，難以充分結合。外加法的優點是基體種類不受限制、應用范圍廣、成本低等。內部反應法指的是在材料制備過程中生成增強相顆粒。此類原生增強相顆粒可以在基體中均勻分布，且增強相顆粒與基體組成的界面相對整潔、黏結強度高，能有效改善復合材料的性能。目前，顆粒增強金屬基復合材料的制備方法眾多，如液態工藝、固態工藝、液-固兩態工藝以及固-半固態工藝等。其中，液態工藝包括機械攪拌法、鑄滲法、擠壓鑄造法、電磁連鑄法等；固態工藝包括粉末冶金法、原位合成法、自蔓延燒結法、軋制復合法、爆炸復合法等；液-固兩態工藝包括攪拌鑄造法、復合澆鑄法等；固-半固態工藝包括半固態鑄軋法、半固態壓力復合法等。無論采用何種制備工藝，主要目的都是確保增強相顆粒在基體中均勻分布，有效增強材料的力學性能、耐磨性，延長其使用壽命；提高各種原材料的利用率，降低材料制備過程的能耗；盡可能減少復合材料的后期加工流程，在降低生產成本的同時優化制備工藝。

三、常見碳化物顆粒增強高錳鋼基復合材料制備工藝概述

攪拌鑄造法屬于液-固兩態工藝，主要形式為機械攪拌。具體操作時，技術人員需要在熔融狀態下的金屬基體中直接加入增強顆粒，并借助機械力的作用使其混合均勻，最后冷卻成型生成鑄件。這種工藝的優點是設備簡單、流程簡潔、操作方便且成本低廉，對增強相顆粒的尺寸要求不高。其缺點是在機械攪拌過程中顆粒易發生氧化，尤其部分陶瓷顆粒與熔融態的金屬潤濕角較大，極易發生團聚現象。一旦團聚，增強相顆粒就難以均勻分散，鑄件的質量和性能就會受到不利影響。因此，密度相差較大的材料不宜采用攪拌鑄造法，以免在后續制備過程中形成宏觀偏析和偏聚，導致鑄件質量不達標。此外，考慮到鋼鐵材料的熔點相對較高，對攪拌裝置要求嚴格，攪拌鑄造法很少用于鋼鐵基材料制備。

粉末冶金法最早由Kopenaal等人于1961 年提出，是指將金屬基體同增強相粉末均勻混合后，在低于金屬液相線溫度環境下壓制成型，再通過真空燒結使原子擴散并促使金屬基體和增強相顆粒結合在一起。粉末冶金法是一種最早用于制備金屬基復合材料的方法之一。[1]粉末冶金法的優點是：對基體和增強相顆粒的潤濕性、密度差要求不高，增強顆粒可以均勻地分布在復合材料中，且實現高體積分數增強相增強鋼基復合材料的成功率較高。由于在高溫煅燒時，增強相易發生化學反應并在界面形成脆性相導致界面結合力較差、成品孔隙率較高，進而降低鑄件的整體性能，技術人員通常會對鑄件進行二次加工以提高其致密性。另外，粉末冶金法對基體材料和增強相粉末的含量、品種、尺寸等限制較少，但造價較高，生產出的零件和坯體尺寸較大，所以更適用于制造以顆粒或晶須為增強的復合材料，而非纖維增強的金屬復合材料。

離心鑄造法是一種借助離心力將增強顆粒貼附在型壁上再澆注高溫金屬液，讓金屬液滲入顆粒孔隙并與顆粒結合進而形成復合材料的制備工藝。技術人員可以在澆注高溫金屬液的同時摻加增強顆粒，在離心力的作用下催動增強顆粒移動并附著在鑄件表面進而形成表面復合材料。Saad Mahmood Ali 等人使用離心鑄造法在亞共晶Al-Si 合金（鋁硅合金）中摻加SiC 顆粒后發現，鑄件表面缺陷得到明顯改善，力學性能整體提升。[2]Tao Chen 等人對采用離心鑄造法生產的爐管進行分析后發現，其爐管制備過程中形成了微孔，而這種微孔通常可以從黏結劑的種類、冷卻速度和澆注溫度等多個方面得到改進或控制。

鑄造法是一種將金屬液注入放有增強相顆粒的預制體中以制備顆粒增強金屬基復合材料的制備工藝，可根據鑄滲條件的不同進一步細分為重力鑄滲法、離心鑄滲法及真空吸鑄法等。其中，重力鑄滲法是指借助重力作用使金屬液滲入預制體的空隙并與增強相顆粒、基體相結合進而形成復合材料層；離心鑄滲法與重心鑄滲法有相似點也有區別，該工藝主要借助超強離心力促使金屬液快速滲入增強顆粒預制涂層內部，待冷卻凝固后形成顆粒增強鋼鐵基表面復合材料；真空吸鑄法主要通過真空負壓將增強顆粒或合金粉末吸附在型腔的指定位置，在真空吸力、毛細管力等的共同作用下，注入的金屬液將與增強相顆粒結合并在凝固后形成復合材料。[3]針對該制備工藝，陳善賢等人經過實驗后發現，當離心轉速達到100r/min 時，通過離心鑄滲法或真空吸鑄法制備的ZL114A 鋁合金的抗拉強度明顯增強，晶粒細化組織均勻；李秀兵等人采用鑄造法在鑄件表面制備了WC 顆粒增強鋼鐵基體的表面復合材料，以及其他外硬內韌、耐磨耐熱耐腐蝕性能優異的復合材料。

原位復合法是A.G.Merzhanov 等人在1967 年利用SHS 法（自蔓延高溫合成法）合成TiB2/Cu 功能梯度材料時提出的。原位合成法主要有氣-液反應合成法、放熱彌散法、自蔓延高溫合成法、原位反應鑄造法及機械合金化法等。[4]通常，業界將原位合成法與鑄造法結合的工藝稱為原位反應鑄造法，其工作原理是：利用金屬液的高溫屬性催動預制體內的中間相增強顆粒和基體發生反應，進而生成一種或多種高硬度、高彈性模量的、均勻分布在金屬基體內的陶瓷顆粒，以進一步增強金屬的性能。基于此，蘇廣才等人經研究發現，采用原位生成法合成的Ti(C,N）復合材料的耐磨損性能均優于基體的耐磨損性能。Fang Yang 等人在采用原位反應鑄造法制備的Ti-TiB2中摻加PTFE（聚四氟乙烯）后發現，質量損失明顯減少。姬長波通過原位合成法制備了WC 顆粒增強高鉻鑄鐵基體，并將增強相顆粒分為兩部分：一部分放置于鉻鑄鐵基體中，一部分固溶在界面上。隨后，晶界處便析出了能夠提高復合材料韌性和硬度的M6C3 型碳化物。同時，隨著基體中WC 顆粒含量的增加，復合材料的硬度以及沖擊韌性值也在逐漸增加。

官建國等人在原位生成的基礎上引入電場以促進微纖原位生成，獲得了自增強原位復合材料。由于在原位合成過程中，復合材料的增強顆粒并未與外界接觸，不僅表面不會被污染、氧化，還能有效避免增強體分布不均、浸潤不良、界面反應產生脆性層等缺陷。與傳統的外加顆粒法相比較，原位生成法具備以下優點[5]：原位生成的增強顆粒相是熱力學中相對穩定的相，適用于高溫工況；增強相與基體界面干凈、整潔、無污染、潤濕效果好且界面結合強度高；增強相粒徑尺寸小，可以在基體組織中均勻分布；由于生產工藝簡單方便、易操作，更適合工業化大規模大批量生產。

四、結語

總而言之，碳化物增強高錳鋼基復合材料是一種具有廣闊應用前景的新型復合材料。隨著科技的不斷發展，該復合材料的性能將不斷優化，制備效率也將越來越高，成本將進一步降低，應用領域也將不斷拓展。