熱處理溫度對顆粒增強45鋼基表面復合材料組織的影響

韓文華 宋博宇 劉桂榮

【摘 要】通過自蔓延高溫合成法和真空消失模鑄滲法制備出了TiB2和TiC顆粒增強45鋼基表面復合材料，研究了熱處理溫度對表面復合材料組織的影響。結果表明：經過熱處理后復合材料的復合層與基體呈良好的冶金結合，沒有宏觀和微觀缺陷。TiB2和TiC 顆粒形貌發生改變，生成的TiB2和TiC顆粒數量減少、尺寸減小。

【關鍵詞】表面復合材料;熱處理溫度;TiC顆粒;TiB2顆粒

中圖分類號： TB333;TG156 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0171-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.079

復合材料由于兼具了基體和增強相的優點，而被譽為21世紀最有潛力的工程材料[1]。金屬基復合材料（Metal Matrix Composites，簡稱MMCs）是以金屬為基體，以金屬或非金屬的長/短纖維、晶須、顆粒等為增強相的復合材料。與傳統的金屬材料相比，金屬基復合材料的強度、剛度及耐熱范圍大大提高[2]。本研究以應用廣泛的碳鋼為基體，TiB2和TiC顆粒增強相集中分布在易磨損的部位（表面），復合工藝簡單，成本低廉。通過自蔓延高溫合成法和真空消失模鑄滲法制備出的復合材料內部組織致密性和均勻性有待提高。恰當的熱處理工藝可以起到細化晶粒、消除偏析、降低內應力，使鋼的組織和性能更加均勻，還可使工件表面具有抗磨損、耐腐蝕等特殊物理化學性能。

本文通過研究復合材料的形成機制，為TiB2和TiC顆粒增強金屬基復合材料的設計、制造開辟新的思路和途徑，為先進耐磨復合材料的工業化和實用化提供理論依據和實用技術。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

合金粉末預制塊主要成分和質量分數占比見表1。

將鈦粉、碳化硼粉和鈦鐵粉按比例稱重后放入研磨皿中進行充分研磨，目的是使合金粉末混合均勻，以便在自蔓延高溫合成反應中生成彌散分布的增強顆粒。充分研磨后，加入少量的脫水硼砂（硼砂放入陶瓷坩堝中加熱翻炒，直到硼砂完全轉變成為白色的粉末為止。）繼續研磨，直至所有粉末混合均勻。將混合均勻的粉末平均分成若干份，每份中均加入合成樹脂，邊加入邊攪拌，直至干粉消失。

1.2 試驗方法

將加入了合成樹脂的合金粉末放入壓力機的模具中壓制成Φ30mm×5mm的合金粉末預制塊，而后放置到通風處充分干燥。待合金粉末預制塊充分干燥后與用ESP做成的澆注系統粘結在一起，涂掛防粘砂涂料后再放置到通風處繼續干燥，接下來再涂掛第二次，二次充分干燥后等待澆注。45鋼的冶煉在中頻感應爐中進行，澆注溫度控制在1600℃左右。

將成型后的復合材料進行機械切割并制成大小合適的試樣，以待進行熱處理。因45鋼屬于亞共析鋼（wc=0.3～0.6%），故熱處理工藝采用完全退火。完全退火是將鋼件或鋼材加熱至Ac3以上20～30℃。所以對于45鋼選定820℃、840℃兩個熱處理溫度對表面組織的影響進行討論，冷卻方式均為隨爐冷卻。

2 試驗結果及分析

圖1示出了不同奧氏體化溫度下的過渡層的顯微組織。圖1（a）示出了復合材料鑄態下的組織，由圖知，復合材料過渡層與基體界面清晰明顯，過渡層中黑色相較多，分布較均勻，但仍有偏析現象存在。經過820℃和840℃熱處理后，復合材料過渡層與基體交界處黑色相明顯減少，但仍呈良好的冶金結合，沒有宏觀和微觀缺陷，如圖1（b）、（c）所示。復合材料鑄態組織過渡層中黑色相多是由于在高溫鋼水的沖擊作用下，復合層中的增強顆粒向基體擴散的結果。在熱處理過程中，隨著溫度的升高，增強顆粒重新熔解到了奧氏體中，并在冷卻過程中不再析出。

圖2示出了復合材料鑄態組織和經過840℃熱處理后的復合層的增強顆粒形貌。鑄態組織中的增強顆粒數量較多，尺寸分布不均勻，顆粒邊緣有尖角。經過840℃熱處理后，復合層中的TiB2和TiC顆粒數量減少，顆粒尺寸較均勻。TiB2和TiC顆粒在鑄態下多呈六棱柱和多邊形，熱處理后變得圓整。這是因為TiB2和TiC顆粒的尖角增加了顆粒的表面積，使得顆粒的表面自由能升高，原子處于不穩定狀態。為了向穩定狀態過渡，需要減小自由能，原來尖角的部位熔化，Ti原子、B原子和C原子自發地擴散到奧氏體中，使得TiB2和TiC顆粒變得圓整。隨著熱處理溫度的升高，復合層中TiB2和TiC顆粒部分熔解到奧氏體中，使得初生TiB2和TiC數量減少。

3 結論

隨著熱處理溫度的升高，復合層中TiB2和TiC顆粒部分熔解到奧氏體中，復合材料復合層組織中TiB2和TiC顆粒增強顆粒數量減少，尺寸分布均勻，顆粒形貌變得圓整。

【參考文獻】

[1]樸東學.鑄造金屬基復合材料的現狀及發展動向[J].鑄造，2000（9）：14-16.

[2]苑美實，孫海明.金屬復合材料在機械制造中的應用[J].科學技術創新，2019（19）：174-175.

[3]劉光明，楊麗峽等.軋后熱處理工藝對AZ31鎂合金鑄軋板組織性能的影響[J].材料熱處理學報，2019，40（06）：26-32.