張林光，謝敬佩，邵星海，李 炎，王愛(ài)琴

（河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者利用原位反應(yīng)法制備出了鐵基復(fù)合材料［1－2］。但是他們制備的大多是整體復(fù)合材料，這種材料雖然耐磨性有所提高，但韌性明顯降低，并且成本較高、回收困難。在實(shí)際應(yīng)用中，零件的使用壽命主要取決于其表面層的耐磨性［3］。因此，理想的零件組織應(yīng)該是零件表面層含有相當(dāng)數(shù)量的增強(qiáng)相顆粒，而其母體仍保持原有的組織和成分，從而使零件表面具有高的耐磨性，而本體仍保持較高的強(qiáng)度和韌性。通過(guò)鑄滲工藝，在中碳鋼表面得到一層耐磨的高鉻鑄鐵鑄滲層，具有以上理想零件組織［4－6］。盡管高鉻鑄鐵鑄滲層在常溫下具有很高硬度和良好耐磨性，但是高鉻鑄鐵存在熱疲勞抗力差和脆性大等不足，在高溫工作環(huán)境下硬度顯著下降，耐磨性能顯著下降，工作后的磨損破壞仍然非常嚴(yán)重。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道將WC、TiC等增強(qiáng)顆粒加入到高鉻鑄鐵鑄滲層中，進(jìn)一步提高了表面合金的耐磨性［7－8］。但是將納米粒徑的增強(qiáng)顆粒加入到鑄滲層的研究鮮有報(bào)道。

納米材料由于具有獨(dú)特的機(jī)構(gòu)特征（納米晶粒及高濃度界面），以及表現(xiàn)出的一系列與常規(guī)材料有著本質(zhì)差異的理化及力學(xué)性能，使得納米材料的研究成為目前材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)［9］。納米TiC顆粒具有硬度高、熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好、高模量、與金屬的膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)。基于以上考慮，本文采用普通的砂型鑄滲工藝在ZG35表面制備納米TiC-高鉻鑄鐵鑄滲層，并對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

1.1 鑄滲層材料的制備

試驗(yàn)材料選用ZG35作為基體金屬，合金粉采用納米TiC（合肥開(kāi)爾納米有限公司生產(chǎn)）和40～100目高碳鉻鐵粉末，硼砂作為溶劑，酚醛樹脂作為黏結(jié)劑，酒精作為調(diào)和劑。將高碳鉻鐵粉、硼砂和酚醛樹脂在攪拌機(jī)上充分混合后用酒精調(diào)和成糊狀，作為鑄滲劑1；將加入納米TiC的高碳鉻鐵粉（高碳鉻鐵粉中TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）、硼砂和酚醛樹脂在攪拌機(jī)上充分混合后用酒精調(diào)和成糊狀，作為鑄滲劑2。將鑄滲劑涂層編號(hào)后分別涂于砂型內(nèi)壁，點(diǎn)燃烘干后用1580℃的ZG35金屬液澆鑄。冷卻成型后得到具有5～6 mm厚的鑄滲層。

1.2 鑄滲層的性能測(cè)試

在鑄件的窄道區(qū)域取樣，線切割加工成10 mm×10 mm×10 mm方塊試樣和10 mm×10 mm×0.5 mm（在鑄滲層中取樣）薄片試樣用于顯微組織分析。將方塊試樣磨平拋光用王水腐蝕后，在配有能譜儀（EDAX）的JSM-5610LV掃描電鏡（SEM）下進(jìn)行分析；將薄片試樣制備成厚度為50μm以下的φ3 mm透射試樣，進(jìn)行離子減薄之后在JSM2100高分辨透射電子顯微鏡下觀察。將方塊試樣進(jìn)行正火處理（870℃下保溫1 h后空冷），使用HV-1000型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量其硬度，載荷為5 N，并進(jìn)行耐磨性測(cè)試。

耐磨性能在ML-100型磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣為φ6 mm×20 mm銷形試樣，配副材料選擇240目的水砂紙，加載荷0.35 MPa，每個(gè)試樣磨損20個(gè)回程。磨損螺旋線S由下式計(jì)算：

得出0.5個(gè)回程的滑動(dòng)距離S，最終求得每個(gè)試樣的滑動(dòng)距離為754.2 m。試驗(yàn)進(jìn)行前對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行3 m in預(yù)磨，以磨平、磨光端面為標(biāo)準(zhǔn)。磨損試驗(yàn)前后，將試樣取下在酒精中用超聲波清洗5 m in，干燥后在感量為0.1 mg的光電天平上稱量出試樣的磨損質(zhì)量損失。每種成分測(cè)量3個(gè)試樣，并求出質(zhì)量損失平均值作為該種成分試樣的抗磨粒磨損性能指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 鑄滲層微觀組織觀察與成分分析

圖1為試樣結(jié)合界面處SEM像和能譜線掃描圖。圖1a中，A區(qū)為ZG35鋼，C區(qū)為鑄滲層，在兩者之間有一個(gè)寬25μm的過(guò)渡層（見(jiàn)圖1a中B區(qū)），結(jié)合界面犬牙交錯(cuò)。由圖1b和圖1c可以看出：合金粉末中的鉻元素跨越結(jié)合界面向鋼液中擴(kuò)散，鋼液中的鐵元素跨越結(jié)合界面向合金粉末中擴(kuò)散，結(jié)合界面處Fe、Cr元素呈現(xiàn)明顯的濃度差。這說(shuō)明結(jié)合界面處的熱作用較強(qiáng)烈，涂敷層中的合金顆粒在熱作用下熔化、擴(kuò)散并被鋼液稀釋，并與鋼液互滲從而在結(jié)合界面處產(chǎn)生明顯的過(guò)渡層。通過(guò)分析可知：ZG35與表面的鑄滲層呈良好的冶金結(jié)合。

圖1 結(jié)合界面處SEM像和能譜線掃描圖（A為ZG35鋼，B為過(guò)渡層，C為鑄滲層）

圖2為鑄滲層組織SEM像。圖2a和圖2b分別為鑄滲劑中不添加納米TiC和鑄滲劑中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米TiC的鑄滲層組織放大200倍后的SEM像。由圖2可看出：當(dāng)不添加納米TiC時(shí)，組織晶粒較大，碳化物網(wǎng)狀分布較為集中；當(dāng)鑄滲劑中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%納米TiC時(shí)，組織達(dá)到一定程度的細(xì)化，碳化物網(wǎng)狀分布較為分散。這主要是由于納米TiC顆粒屬于硬質(zhì)點(diǎn)，其穩(wěn)定性好，熔點(diǎn)高達(dá)3200℃，高熔點(diǎn)的納米顆粒在鑄滲過(guò)程中隨著合金元素的擴(kuò)散，以固態(tài)顆粒形態(tài)分散于金屬液中。納米TiC顆粒作為硬質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)加快了低碳低鉻區(qū)域的凝固，使得低C低Cr濃度區(qū)域和高C高Cr濃度區(qū)域間的元素?cái)U(kuò)散受到了抑制，共晶成分的區(qū)域增大，因此，碳化物的數(shù)量增多。同時(shí)，納米顆?？勺鳛橥鈦?lái)異質(zhì)形核，促進(jìn)了共晶液相大量的非均勻形核并抑制了晶粒的長(zhǎng)大。因此，可認(rèn)為納米TiC能夠起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，促進(jìn)碳化物的均勻析出。

細(xì)晶強(qiáng)化實(shí)質(zhì)上是晶界強(qiáng)化。晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，晶界面積愈大，鋼的強(qiáng)度愈高；晶粒尺寸愈細(xì)，晶界面積愈大，即平均晶粒尺寸愈細(xì)，鋼的強(qiáng)度愈高。提高晶界本身的強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致鋼強(qiáng)度的提高。細(xì)晶強(qiáng)化的理論基礎(chǔ)是Hall-Petch公式［10］：

式中，△σG為屈服極限；σ0為晶格摩擦力；d為晶粒直徑；ky為與材料有關(guān)的參數(shù)。

圖2 鑄滲層組織SEM像

Hall-Petch公式認(rèn)為結(jié)構(gòu)鋼材的主要強(qiáng)化機(jī)制是細(xì)晶強(qiáng)化。材料的屈服強(qiáng)度取決于使位錯(cuò)源運(yùn)動(dòng)所需的力、位錯(cuò)網(wǎng)給予移動(dòng)位錯(cuò)的阻力和晶界對(duì)位錯(cuò)的阻礙大小。晶粒越細(xì)小，晶界就越多，障礙也就越大，需要加大外力才能使晶體產(chǎn)生滑移。所以，晶粒越細(xì)小，材料的屈服強(qiáng)度就越大。

圖3為ZG35與鑄滲層結(jié)合界面區(qū)的透射電子（TEM）像，圖3中箭頭所指為結(jié)合界面，結(jié)合界面兩側(cè)分別為ZG35區(qū)域和鑄滲層區(qū)域，對(duì)結(jié)合界面和鑄滲層區(qū)域進(jìn)行EDAX分析，結(jié)果如表1和表2所示。由表1和表2可看出：結(jié)合界面處與鑄滲層均有Ti的存在，這說(shuō)明有納米TiC顆粒的分布。而且納米TiC更趨向于分散在界面上（界面處Ti原子分?jǐn)?shù)為0.31%，高于鑄滲層側(cè)的0.21%），其活性有助于提高鑄滲的效果。

圖3 結(jié)合界面TEM像

表1 結(jié)合界面處EDAX分析

表2 鑄滲層EDAX分析

對(duì)鑄滲層中的基體進(jìn)行TEM分析，結(jié)果如圖4所示。通過(guò)電子衍射花樣標(biāo)定可知：鑄滲層基體為奧氏體，奧氏體中的黑色顆粒為納米TiC。納米TiC顆粒作為第二相粒子彌散分布于奧氏體基體中，使奧氏體晶格發(fā)生畸變，從而使鋼的硬度和強(qiáng)度得到提高，起到彌散強(qiáng)化作用。

圖4 鑄滲層基體的TEM像和電子衍射花樣的標(biāo)定

2.2 鑄滲層顯微硬度和磨粒磨損性能檢測(cè)

鑄滲層厚度宏觀測(cè)定為5 mm左右，圖5為鑄滲層至ZG35區(qū)的硬度測(cè)試結(jié)果。由硬度測(cè)試結(jié)果可以看出：從鑄滲層表面到ZG35區(qū)，鑄滲層的硬度為600HV～730HV，呈先增后減趨勢(shì)。ZG35區(qū)的硬度為200HV左右，結(jié)合界面處硬度為420HV左右。分析鑄滲層至ZG35區(qū)的顯微硬度變化規(guī)律的原因是：鑄滲層表面靠近型壁，型壁具有極冷作用，合金粉末未能被鋼液余熱完全融化，鑄滲效果稍差，因而硬度稍低；距離結(jié)合界面2～3 mm處，合金粉末濃度適合且完全融化，鑄滲效果最好，形成碳化物硬度最高；越靠近結(jié)合界面處的合金粉末被鋼液稀釋程度越大，形成的碳化物硬度緩慢降低。鑄滲層的硬度明顯高于ZG35，這是由于高碳鉻鐵粉（主要組成為鐵鉻碳化物）融化分解后在鑄滲層中形成大量高硬度的碳化物。過(guò)渡區(qū)硬度（430HV左右）介于鑄滲層和ZG35之間。加入1%納米TiC后，鑄滲層的硬度提升不明顯。

兩種材料的耐磨性測(cè)試可知：在基材完全相同的情況下，添加1%納米TiC鑄滲層的磨粒磨損量為0.142 0 g，未添加納米TiC鑄滲層的磨粒磨損量為0.122 0 g，添加1%納米TiC鑄滲層的磨粒磨損性能比未添加納米TiC鑄滲層的磨粒磨損性能提高了約14%。原因分析如下：（1）納米TiC使碳化物晶粒得到細(xì)化，且分散更為均勻，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，從而使耐磨性提高；（2）納米TiC彌散分布于奧氏體基體中，作為硬質(zhì)耐磨質(zhì)點(diǎn)，提高鑄滲層的耐磨性能。

3 結(jié)論

（1）ZG35鋼的表面通過(guò)鑄滲形成一層鑄滲層，鑄滲層與基體材料呈冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了局部合金強(qiáng)化，鑄滲層組織致密，無(wú)顯微缺陷，提高了材料的局部表面層的使用性能。

（2）納米TiC趨向于分散在ZG35與鑄滲層的結(jié)合界面上，并作為第二相粒子彌散分布于鑄滲層基體中。納米TiC對(duì)鑄滲層的強(qiáng)化作用主要是納米TiC的細(xì)晶強(qiáng)化。

（3）鑄滲層的硬度變化趨勢(shì)為：從表面向結(jié)合界面，先升高后降低，在距離表面2～3 mm處達(dá)到最大。添加1%納米TiC的試樣與不添加納米TiC的試樣相比，鑄滲層硬度略有提高。

（4）耐磨性試驗(yàn)結(jié)果表明：添加1%納米TiC鑄滲層材料的磨粒磨損性能比未添加材料的磨粒磨損性能提高了14%。這是由于納米TiC顆粒的細(xì)晶強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化和對(duì)碳化物形態(tài)的改善綜合作用的結(jié)果。

［1］ 嚴(yán)有為，魏伯康，林漢同，等.Fe-Ti-C熔體中TiC顆粒的原位合成及長(zhǎng)大過(guò)程研究［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1999，35（2）：9－12.

［2］ A lexander K P.Ceramic Composites with a Ductile Ni3A l Binder Phase［J］.Scripta Materialia，1996，35（5）：243－247.

［3］ 李建明.耐磨與減磨材料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：1－194.

［4］ 沈蜀西，李維民.鑄滲機(jī)理與改善鉻鑄滲層質(zhì)量的研究［J］.鑄造技術(shù)，1995（2）：43－47.

［5］ 賈利曉，陳躍.鑄滲技術(shù)及其研究進(jìn)展［J］.鑄造技術(shù)，2003（3）：170－171.

［6］ 謝敬佩，郭正，邵星海，等.納米TiN增強(qiáng)導(dǎo)衛(wèi)板鑄滲層的組織研究［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（5）：1－3.

［7］ 王書利，王愛(ài)琴，謝敬佩，等.WC-高鉻鑄鐵鑄滲層的組織與性能研究［J］.鑄造，2011，60（2）：192－194.

［8］ 林素梅.TiC顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.化工與材料，2009（4）：34－35.

［9］ 張立德，牟季美.納米材料與納米結(jié)構(gòu)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［10］ Peteh N J.The Cleavage Strength of Polyerystals［J］.Journal of the Iron and Steel Institute，1953，174：25－28.