張長(zhǎng)濤,謝敬佩,盧洪波,黃先波,王文焱,王愛(ài)琴

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003;2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471003;3.鄭州鼎盛工程技術(shù)有限公司,河南 鄭州 450000)

金屬陶瓷-錳鋼復(fù)合材料的制備及磨損機(jī)理＊

張長(zhǎng)濤1,2,謝敬佩1,2,盧洪波3,黃先波3,王文焱1,2,王愛(ài)琴1,2

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003;2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471003;3.鄭州鼎盛工程技術(shù)有限公司,河南 鄭州 450000)

通過(guò)掃描電鏡對(duì)金屬陶瓷-錳鋼復(fù)合材料的組織、結(jié)合情況和磨損形貌進(jìn)行了研究,并探討了復(fù)合材料的結(jié)合和磨損機(jī)理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:燒結(jié)金屬陶瓷和錳鋼的結(jié)合為冶金結(jié)合;金屬陶瓷磨損形貌為少量的犁溝.

復(fù)合材料;冶金結(jié)合;磨損機(jī)理

高錳鋼作為耐磨材料,廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材及鐵路等機(jī)械裝備中[1-5].本文采用金屬陶瓷增強(qiáng)高錳鋼基體,獲得了耐磨性能較好的高錳鋼-金屬陶瓷復(fù)合材料.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

基體材料為M n13,化學(xué)成分列于表1,采用500 kg中頻感應(yīng)電爐熔煉,熔煉好后,將鋼水澆入預(yù)先放有硬質(zhì)合金塊的鑄型中,在母液強(qiáng)烈的熱作用下,金屬陶瓷塊與母液接觸的界面上在一定時(shí)間內(nèi)處于高溫狀態(tài)并發(fā)生元素的相互擴(kuò)散,冷凝后,金屬陶瓷塊與母材結(jié)合為一體.

將復(fù)合材料在SX-4-12型高溫箱式電爐中進(jìn)行熱處理,1050℃,保溫4 h,然后進(jìn)行350℃回火[6-8].

表1 高錳鋼和金屬陶瓷成分Table 1 Composition of highmanganese steel andmetal ceramicsw/%

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 復(fù)合材料的組織

復(fù)合材料的組織形貌如圖1所示.由圖1(a)可見(jiàn),金屬陶瓷的組織分布均勻,深灰色的硬質(zhì)顆粒大小均勻,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚;由圖1(b)可見(jiàn),高錳鋼與金屬陶瓷的結(jié)合處看不到任何結(jié)合縫隙,說(shuō)明兩種材質(zhì)結(jié)合得很好,靠近金屬陶瓷部位的基體也無(wú)微裂紋;由圖1(c)可見(jiàn),高錳鋼基體的晶粒不粗大,大小相對(duì)均勻,碳化物呈細(xì)小的彌散分布,這對(duì)提高基體的耐磨性有利.

2.2 磨損形貌及機(jī)理

圖2是復(fù)合材料磨損后的形貌.由圖2(a)可見(jiàn),高錳鋼基體的磨損主要是以較深、較寬的犁溝為主,這是由于高錳鋼較軟,初始階段,在硬磨粒的切削作用下產(chǎn)生了犁溝.但在硬磨粒的持續(xù)作用下,高錳鋼基體會(huì)產(chǎn)生加工硬化,阻礙了材料的磨損.圖2(b)是基體和金屬陶瓷結(jié)合部位的磨損形貌,由圖2(b)可見(jiàn),基體上的犁溝穿過(guò)了結(jié)合處,在過(guò)渡到金屬陶瓷體上面時(shí),犁溝變淺,長(zhǎng)度變短,數(shù)量變少.這是由于金屬陶瓷具有較高的硬度,能夠抵抗硬磨粒的擠壓和磨損.由圖2(c)可見(jiàn),金屬陶瓷上的磨損以淺、短的犁溝和鑿削磨損為主,由于硬質(zhì)相能夠抵抗磨粒的磨損,增強(qiáng)了材料的耐磨性.

圖1 組織圖片F(xiàn)ig.1 Images of the microstructure

圖2 復(fù)合材料的磨損形貌Fig.2 Wear morphology of composite

2.3 結(jié)合情況和結(jié)合機(jī)理

圖3為高錳鋼與金屬陶瓷結(jié)合處的形貌.從圖3(a)可見(jiàn),高錳鋼與金屬陶瓷的結(jié)合處呈犬牙交錯(cuò)狀,結(jié)合緊密,沒(méi)有空隙;靠近基體處的金屬陶瓷硬質(zhì)相的分布較疏,有部分高錳鋼在高溫的作用下與被熔化的金屬陶瓷結(jié)合并嵌入到金屬陶瓷中.這是由于高溫的高錳鋼液體將部分金屬陶瓷熔化,然后重新結(jié)晶.從圖3(b)中可以看出,在高錳鋼和金屬陶瓷結(jié)合處的中間有一斷續(xù)的、不同于兩側(cè)組織特征的微區(qū),該區(qū)域的范圍較小,只有幾微米厚,這說(shuō)明高錳鋼與金屬陶瓷的結(jié)合為冶金結(jié)合.

圖3 高錳鋼與金屬陶瓷的結(jié)合情況Fig.3 The combination of high manganese steel and metal ceram ics

2.4 碳化物的類型

圖4是采用美國(guó)EDAX公司生產(chǎn)的Falcon型能譜儀對(duì)沿晶界分布的碳化物進(jìn)行分析的能譜圖.由圖4可知,沿晶界分布的塊狀碳化物為Cr,M n和V的復(fù)合碳化物.經(jīng)熱處理后的高錳鋼中的碳化物主要有兩類:一是在水韌處理過(guò)程中沒(méi)有固溶進(jìn)奧氏體中的碳化物;二是在彌散強(qiáng)化過(guò)程中,從奧氏體中析出的碳化物.網(wǎng)狀沿晶界分布的碳化物會(huì)減弱晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度,不利于材料性能的提高.

圖4 碳化物 EDS分析結(jié)果Fig.4 EDS analysis results of carbide

3 結(jié) 論

在高溫作用下,高錳鋼基體與金屬陶瓷的結(jié)合為冶金結(jié)合;高錳鋼基體的磨損形貌為較深的犁溝,而金屬陶瓷為少量的較淺犁溝和疲勞磨損,結(jié)合區(qū)域的犁溝在由基體過(guò)渡到金屬陶瓷上時(shí)由深變淺;沿晶界分布的塊狀碳化物類型為Cr,M n和V的復(fù)合碳化物.

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Study on the preparation and abrasion mechan ism of metal ceram ic-manganese steel composite

ZHANGChang-tao1,2,XIE Jing-pei1,2,LU Hong-bo3,HUANG Xian-bo3,WANGWen-yan1,2,WANG Ai-qin1,2
(1.College of M aterials Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.Henan Key Laboratory of A dvanced N on-ferrous M eta ls,L uoyang 471003,China;3.Zhengzhou D ingsheng Engineering Technology Co.,L td.Zhengzhou 450000,China)

The m icrostructure and w ear mo rphology of metal ceramic-manganese steel composite w ere researched by SEM,and the com bination and w earmechanism of compositematerialswere studied in this paper.The experiment results show that the connection of sintered metal ceramics and manganese steel is metallurgical bond,and the wear morphology of metal ceramics show s less amount of p lough groove.

composite materials;metallurgical bond;wear mechanism

1673-9981(2011)01-0021-03

TF741.7;TH117.1

A

2010-11-04

河南省杰出人才創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(0621000600);河南科技大學(xué)科研基金(2006ZY053)

張長(zhǎng)濤(1984—),男,河南周口人,碩士研究生.