陶瓷增強(qiáng)高錳鋼復(fù)合材料的組織與結(jié)合機(jī)理

謝敬佩，張長濤，盧洪波，王文焱，王愛琴

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽471003;2.鄭州鼎盛工程技術(shù)有限公司，河南鄭州450000)

0 前言

高錳鋼具有良好的韌性，同時在強(qiáng)烈沖擊下和大的壓力下，會產(chǎn)生加工硬化，從而提高高錳鋼的耐磨性。隨著鐵路、冶金、礦山等工業(yè)的發(fā)展，對耐磨材料的性能提出了更高的要求，同時對耐磨材料的需求量日益增多，為耐磨材料的發(fā)展提供了動力［1－3］。但是在某些工況條件下，高錳鋼的耐磨性不高。為了增加高錳鋼的性能，目前主要從兩方面采取措施，改變工藝和改變成分。文獻(xiàn)［4－6］用硬質(zhì)合金和高鉻鑄鐵硬質(zhì)塊增強(qiáng)高錳鋼基體，這些研究對提高高錳鋼的耐磨性取得了一定的效果，但是在大的沖擊下耐磨性還不是太理想。

本文采用陶瓷強(qiáng)化高錳鋼基體，制作高錳鋼陶瓷復(fù)合材料，并通過掃描電鏡對高錳鋼與陶瓷的結(jié)合情況、基體的顯微組織進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上較深入地探討了高錳鋼與陶瓷的結(jié)合機(jī)理。

1 實驗材料及條件

1.1 實驗材料

表1 高錳鋼成分 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

基體材料為Mn13，化學(xué)成分見表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)先放有陶瓷塊的鑄型中，通過母液強(qiáng)烈的熱作用，使陶瓷塊與母材結(jié)合為一體。

1.2 實驗熱處理方法

將復(fù)合材料在SX-4-12型高溫箱式電爐中進(jìn)行熱處理。原熱處理工藝:將復(fù)合材料加熱到1050℃保溫3 h水韌處理，接著進(jìn)行450℃的時效處理［7－9］;新熱處理工藝:將復(fù)合材料熱處理溫度加熱到1050℃保溫4 h水淬，然后進(jìn)行350℃的回火。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 高錳鋼基體組織

圖1為高錳鋼基體組織，由圖1a可見:新熱處理下，沒有沿晶碳化物析出。從圖2b可見:原熱處理下，碳化物不僅沿晶間析出，晶內(nèi)也有大量的碳化物析出。400～550℃是碳化物析出和長大的溫度區(qū)間，原熱處理工藝在這個溫度區(qū)間保溫1 h，使碳化物大量析出。

2.2 不同熱處理工藝基體沖擊斷口

圖2a為沖擊韌性值為190 J/cm2的斷口形貌，從圖2a中可以看出:新熱處理工藝下，沖擊斷口形貌中有大量的韌窩，這是沖擊韌性值高的原因。圖2b為沖擊韌性值為84 J/cm2的斷口形貌，從圖2b中可以看出:原熱處理工藝下，斷口形貌為準(zhǔn)解離斷口形貌，因此沖擊韌性值較低。

2.3 基體碳化物

圖3是新工藝下晶內(nèi)彌散析出碳化物的分析。由結(jié)果可知:點塊狀析出碳化物為Fe、Cr、Mn的復(fù)合碳化物。這種在基體上彌散析出的碳化物，能夠增強(qiáng)基體抗磨料磨損能力。奧氏體中開始析出碳化物溫度為125℃，可是在此溫度下碳化物的析出數(shù)量很少，為了增加碳化物在基體的彌散析出數(shù)量，需提高時效溫度，但超過450℃碳化物會出現(xiàn)晶界連續(xù)網(wǎng)狀分布，也會出現(xiàn)晶內(nèi)粗大的碳化物;新熱處理工藝在350℃下時效，這樣既可保持基體的高韌性，同時還可以提高基體的耐磨性能［7］。

2.4 陶瓷塊與高錳鋼基體結(jié)合情況及機(jī)理

陶瓷塊與基體的結(jié)合情況影響材料的使用壽命。對材料的界面進(jìn)行金相分析。

通過掃描電鏡觀察陶瓷塊與高錳鋼結(jié)合情況，如圖4所示。圖4a新工藝方法下高錳鋼與陶瓷塊的結(jié)合很好，靠近陶瓷塊部位的基體無微裂紋?？拷沾蓧K的高錳鋼基體組織較細(xì)，碳化物彌散分布;圖4b老工藝下，高錳鋼與陶瓷塊的結(jié)合較差，靠近陶瓷塊部位的基體有微裂紋。高錳鋼基體組織粗大，碳化物彌散分布，降低結(jié)合強(qiáng)度;由圖4c可見:結(jié)合部位陶瓷和基體呈交錯狀，且可以看到陶瓷顆粒和基體嵌入高錳鋼基體。

圖4 陶瓷塊與高錳鋼結(jié)合情況

為了更好地檢查結(jié)合較好材質(zhì)界面的結(jié)合狀況，圖5給出了結(jié)合處的EDS線掃描照片，從圖5中可以看出:金屬陶瓷與高錳鋼基體結(jié)合得很好，高錳鋼與金屬陶瓷基體熔為一體?；w材料的Fe元素含量，從基體到金屬陶瓷，在界面處呈減少趨勢;Ti元素的含量，從金屬陶瓷到基體，下降明顯，界面處的Ti含量低于遠(yuǎn)離界面的金屬陶瓷的Ti含量，但是Ti元素的擴(kuò)散距離較短。這兩種元素的擴(kuò)散是熱擴(kuò)散的結(jié)果。

高錳鋼基體金屬液的熱量使陶瓷塊在澆注后相當(dāng)長一段時間里處于高溫，而溫度對擴(kuò)散速度的影響呈指數(shù)變化，這就使擴(kuò)散速率大大提高，形成較好的冶金結(jié)合。

圖5 基體與金屬陶瓷結(jié)合處線掃描

3 結(jié)論

(1)原熱處理工藝下，碳化物在晶界和晶內(nèi)都有大量分布，其中晶界有塊狀分布;新工藝下碳化物沿晶析出較少，可有效避免錘頭工作中的脆斷現(xiàn)象的發(fā)生。(2)新熱處理工藝下斷口形貌有大量韌窩，沖擊值達(dá)到190 J/cm2。(3)新熱處理工藝下，陶瓷塊與基體高錳鋼的結(jié)合為冶金結(jié)合，靠近陶瓷塊部位的高錳鋼基體的晶粒較細(xì)，碳化物彌散分布。

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