陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料中基體與陶瓷的選擇

劉昱辰

【摘 要】陶瓷增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，基體和陶瓷的選擇尤為重要。文章分析了選擇高鉻鑄鐵和高錳鋼為基體，選擇不同陶瓷顆粒為增強(qiáng)材料的原因。針對鋼與陶瓷材料之間的潤濕性差的問題，提出了一種提高陶瓷顆粒與鋼基體潤濕性的方法。

【關(guān)鍵詞】陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料;高鉻鑄鐵;高錳鋼;潤濕性

引言：

陶瓷增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料是先進(jìn)復(fù)合材料的重要組成部分。它們主要用作機(jī)械，采礦，水泥，電力，冶金，造船，化工和煤炭等工業(yè)領(lǐng)域中的高效耐磨材料。消耗巨大，因此它們是耐磨的。近年來，復(fù)合材料已逐漸成為耐磨材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，鋼水和陶瓷的潤濕性很差，因此很難制備陶瓷/鋼復(fù)合材料。同時(shí)，陶瓷/鋼界面基本上是機(jī)械結(jié)合的，復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度低，機(jī)械性能低，導(dǎo)致復(fù)合材料在抗磨服務(wù)過程中的可靠性和耐磨性較差。因此，陶瓷增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料基體和陶瓷的選擇尤為重要，而提高鋼水和陶瓷的潤濕性也極為重要。

一、強(qiáng)韌設(shè)計(jì)及其制備方法

對對于顆粒增強(qiáng)的表面復(fù)合材料，它們都屬于整個(gè)層復(fù)合材料。即，整個(gè)復(fù)合層形成在耐磨部件的工作表面上。這種復(fù)合材料在切削磨損或高溫磨損條件下表現(xiàn)出相對較好的耐磨性，但在某些具有強(qiáng)沖擊力（例如大破碎錘）或高應(yīng)力（例如磨輥）的磨損條件下，可以沿復(fù)合層界面剝離復(fù)合材料。當(dāng)剝離復(fù)合層時(shí)，耐磨組件的快速磨損會導(dǎo)致過早失效。近年來，西安交通大學(xué)耐磨性研究組開發(fā)了一種具有釘扎作用的表面復(fù)合材料及其制備技術(shù)。與傳統(tǒng)的表面復(fù)合結(jié)構(gòu)相比，拉伸復(fù)合材料的柱狀金屬基體對復(fù)合材料具有一定的影響。釘扎效果可以有效地抑制復(fù)合層沿著接合面剝離的問題。實(shí)驗(yàn)表明，預(yù)制的陶瓷顆粒塊的制備是這種釘扎表面復(fù)合材料的鑄造和滲透模塑的重要環(huán)節(jié)。高一民等。我們發(fā)明了一種新型的耐熱橡膠混合物，該混合物顯著提高了預(yù)成型塊對高溫液態(tài)金屬的耐腐蝕性，并解決了預(yù)成型塊在鑄造滲透過程中過早坍塌的問題。

二、鋼基質(zhì)和陶瓷的選擇

1鋼基質(zhì)的選擇

1.1高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵中有三種主要類型的碳化物，即（Fe，Cr）23C6，（Fe，Cr）7C3和（Fe，Cr）3C。M7C3的晶體硬度為1200-1800HV，高于M3C（840-1100HV）和M23C6（1000-1100HV）。由于高鉻耐磨鑄鐵中的高鉻含量和相對高的鉻碳含量，碳化物主要為（Fe，Cr）7C3。選擇高鉻鑄鐵作為基礎(chǔ)材料具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，由于存在馬氏體，高鉻鑄鐵具有出色的耐磨性和更高的強(qiáng)度。它不僅確保了陶瓷增強(qiáng)材料的支撐效果，而且還提高了復(fù)合材料的整體耐磨性。其次，金屬具有更好的高溫流動性，并且可以更好地滲透到預(yù)成型件的孔中。第三，高鉻鑄鐵和陶瓷在高溫作用下不會產(chǎn)生脆性相，這會影響使用壽命。

1.2高錳鋼

高錳鋼作為抗沖擊和耐磨材料廣泛用于冶金礦山，煤炭，電力和其他行業(yè)。高錳鋼是一種具有高韌性和高沖擊韌性的耐磨材料，在室溫下可達(dá)aku276.6。屈服強(qiáng)度低，Rel334-409MPa，Rm607-980MPa，具有很強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力。但是在完全硬化之前，其耐磨性并不高。高錳鋼經(jīng)過不同的熱處理工藝產(chǎn)生不同的組織，因此其硬度也不同。鑄態(tài)高錳鋼組織中存在碳化物和共析組織，硬度隨碳化物含量的增加而增加，一般在HB200-230范圍內(nèi)。水增韌后的硬度在HB170-230范圍內(nèi)，主要是固溶強(qiáng)化。加工硬化硬度可以達(dá)到HB600。這種高硬度適用于各種耐磨條件，并且是高錳鋼是優(yōu)良耐磨材料的主要原因。

2陶瓷顆粒的選擇

根據(jù)不同工作條件下陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用和性能要求，陶瓷顆粒的選擇具有以下標(biāo)準(zhǔn)：

2.1陶瓷顆粒的性能

如高強(qiáng)度，高韌性，高硬度，高比強(qiáng)度，耐高溫，耐腐蝕，耐磨性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

2.2陶瓷顆粒和金屬基體的潤濕性

陶瓷和金屬之間的潤濕性是衡量金屬陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵條件。潤濕性越好，熔融金屬越容易滲入陶瓷預(yù)成型坯，并且金屬相形成連續(xù)相的可能性越大，因此復(fù)合材料的性能越好。

2.3陶瓷顆粒的化學(xué)穩(wěn)定性

在高溫下制備復(fù)合材料時(shí)，由于金屬和陶瓷性能的差異，容易發(fā)生界面反應(yīng)和脆性相的形成，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的性能。因此，所選的陶瓷和金屬應(yīng)具有良好的化學(xué)相容性。

2.4陶瓷顆粒的成本

如果復(fù)合材料可以工業(yè)化，那么除了滿足性能要求外，廣泛的材料來源和低成本尤為重要。Al2O3陶瓷顆粒不僅價(jià)格低廉（約為WC成本的2%），而且具有更好的高溫耐磨性和耐腐蝕性。它們與鋼基質(zhì)的熱膨脹系數(shù)更兼容;隨著氧化鋯氧化鋁（ZTA）陶瓷的增韌，Al2O3陶瓷顆粒的發(fā)展和成熟大大提高了Al2O3陶瓷顆粒的韌性。因此，在過去的十年中，高性能和低成本ZTA顆粒（ZTAp）增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料的研究受到了特別的關(guān)注。

三、陶瓷和金屬的潤濕性

對金屬和陶瓷材料之間的潤濕性的研究是制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵。從陶瓷-金屬界面結(jié)合方法的角度來看，它包括反應(yīng)性潤濕和非反應(yīng)性潤濕。由于化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)性潤濕過程中發(fā)生，所以在中間層上進(jìn)行潤濕過程，這可以有效地促進(jìn)界面結(jié)合。同時(shí)，在非反應(yīng)性潤濕過程中，液態(tài)金屬的表面張力具有重要影響。

陶瓷的潤濕性對金屬基復(fù)合材料的冶金，鑄造，陶瓷連接，焊接，噴漆和其他工藝有重要影響。目前，提高陶瓷和金屬潤濕性的常用方法主要有以下幾種：

1合金化

金屬合金化是最簡單，最有效的方法，因此已被廣泛使用。向金屬基質(zhì)中添加合金元素使合金元素吸附并集中在液態(tài)金屬的表面和固液界面上，從而降低了液態(tài)金屬的表面張力和固液界面張力。合金元素在固/液界面處反應(yīng)以形成界面反應(yīng)產(chǎn)物，從而減小接觸角。

2熱處理

熱處理方法對改善金屬與陶瓷顆粒之間的潤濕性具有顯著作用，因此被廣泛用于陶瓷-金屬復(fù)合材料中。熱處理后，降低了陶瓷表面上的氧含量，可以減少金屬與陶瓷之間的氧化反應(yīng)，并且可以促進(jìn)金屬與陶瓷之間元素的相互擴(kuò)散。另外，電磁攪拌也可以起到類似的作用。超聲攪拌還可以形成負(fù)壓區(qū)，從而降低陶瓷和液態(tài)金屬之間的表面張力。

3表面涂層技術(shù)

表面涂層技術(shù)是指使用相應(yīng)的表面技術(shù)在基底表面上制備性能比基底材料更好的表面層，包括氣相沉積，電鍍，化學(xué)鍍，熱噴涂技術(shù)等。表面涂層技術(shù)替代了表面涂層技術(shù)。金屬和陶瓷與新涂層材料之間的直接接觸改善了系統(tǒng)的潤濕性。涂層必須滿足以下條件：促進(jìn)潤濕;具有良好的穩(wěn)定性，防止擴(kuò)散和界面反應(yīng);并具有一定的強(qiáng)度來保證材料的綜合性能。

為了提高陶瓷顆粒與金屬基體之間界面的潤濕性并增加界面的結(jié)合強(qiáng)度，國內(nèi)外學(xué)者做了很多工作。其中，有許多關(guān)于使用金屬涂層改善潤濕性的研究。由于鋼基體與Al2O3，ZrO2和ZTA之間的潤濕角較大，因此潤濕性不好。但是，在陶瓷顆粒表面進(jìn)行金屬涂覆后，潤濕角可以顯著減小，并且SiC，TiC，WC碳化物和鋼基體的潤濕性更好。相反，鋁基體與氧化物和碳化物陶瓷之間的潤濕性也很差，但是通過添加合金化也可以改善陶瓷顆粒和熔融金屬的潤濕性。

四、結(jié)束語

總之，陶瓷增強(qiáng)鋼基復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用范圍，但是需要選擇鋼基和陶瓷用于不同的工作條件，以制備性能更好的陶瓷/鋼復(fù)合材料。通過適當(dāng)?shù)母纳茲櫇裥缘姆椒ǎ沾?鋼復(fù)合界面具有更強(qiáng)的粘結(jié)能力和更好的機(jī)械性能。

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（作者單位：安徽省界首市盧氏刻花彩陶有限公司）