構(gòu)型陶瓷/鋼鐵耐磨復(fù)合材料研究進(jìn)展

盧德宏，蔣業(yè)華

構(gòu)型陶瓷/鋼鐵耐磨復(fù)合材料研究進(jìn)展

盧德宏，蔣業(yè)華

（昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650093）

近年來(lái)，陶瓷顆粒非均勻分布增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料（構(gòu)型復(fù)合材料）由于具有優(yōu)異的耐磨性，成為國(guó)內(nèi)外高性能耐磨材料研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。對(duì)構(gòu)型復(fù)合材料耐磨性的研究進(jìn)行了綜述，認(rèn)為在無(wú)沖擊磨料磨損工況下，構(gòu)型復(fù)合材料的耐磨性顯著高于常規(guī)陶瓷顆粒均勻分布增強(qiáng)復(fù)合材料，其耐磨性順序按照基體排列為：高鉻鑄鐵基>合金鋼基>高錳鋼基復(fù)合材料；陶瓷/鋼鐵界面結(jié)合強(qiáng)，則復(fù)合材料耐磨性高；按照陶瓷顆粒排序是：WC>(TiC，ZTA)>Al2O3增強(qiáng)復(fù)合材料；ZTA中ZrO2含量高，則耐磨性好。在高沖擊磨料磨損工況下，構(gòu)型復(fù)合材料耐磨性遠(yuǎn)不如無(wú)沖擊工況下的耐磨性，有的甚至比基體差；合金鋼基復(fù)合材料耐磨性比高錳鋼基稍高。綜述了不同工況下構(gòu)型復(fù)合材料的磨損機(jī)理，并提出了構(gòu)型陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料的研究方向。

陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料；構(gòu)型復(fù)合材料；耐磨材料；進(jìn)展

礦山、建筑、冶金、電力、農(nóng)業(yè)、工模具、裝備制造等各個(gè)行業(yè)，存在大量的物料破碎和粉磨工序，對(duì)耐磨材料有巨大的需求。近年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)耐磨材料性能的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)金屬耐磨材料（比如高錳鋼、高鉻鑄鐵）在硬度、強(qiáng)韌性協(xié)同等性能方面存在不足，越來(lái)越不能滿足對(duì)高性能耐磨材料的要求。

陶瓷增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于兼具陶瓷的高硬度和金屬基體的優(yōu)良強(qiáng)韌性，而且能夠根據(jù)需要進(jìn)行性能的調(diào)整（可設(shè)計(jì)性），已經(jīng)逐漸成為了新型高性能耐磨復(fù)合材料發(fā)展方向之一[1]。自20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了不少陶瓷/鋼鐵基耐磨復(fù)合材料的研究，尤其在TiC和WC顆粒增強(qiáng)鋼鐵基耐磨材料方面獲得了較多應(yīng)用[2—4]。21世紀(jì)初，比利時(shí)Magotteaux公司等成功開(kāi)發(fā)了ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁）顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料立磨磨輥（Xwin），將高硬度陶瓷顆粒制備成多孔蜂窩狀陶瓷預(yù)制體，通過(guò)特殊工藝制備蜂窩陶瓷增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料大型立磨磨輥。經(jīng)生產(chǎn)使用表明，該復(fù)合磨輥壽命達(dá)到高鉻鑄鐵磨輥的3倍以上，并逐漸占領(lǐng)國(guó)際耐磨材料高端市場(chǎng)。同時(shí)期，我國(guó)耐磨材料科研單位和企業(yè)也大量開(kāi)展了陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基耐磨復(fù)合材料的研究和開(kāi)發(fā)。又經(jīng)過(guò)了近10年的發(fā)展，耐磨復(fù)合材料的研究和應(yīng)用有了很大進(jìn)展，并在我國(guó)的水泥、電力、礦山等行業(yè)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[5—7]。文中對(duì)這種新型構(gòu)型耐磨復(fù)合材料的耐磨性研究進(jìn)行綜述，以促進(jìn)高性能耐磨復(fù)合材料的發(fā)展。

1 陶瓷顆粒對(duì)均勻分布增強(qiáng)復(fù)合材料耐磨性的影響

就陶瓷/鋼鐵基耐磨復(fù)合材料而言，WC，TiC，Al2O3，ZTA等是常用的增強(qiáng)陶瓷，且具有較好的耐磨性。表1[1,8—11]對(duì)比了這些陶瓷的相關(guān)性能和成本。相比于WC和TiC等碳化物陶瓷，Al2O3及ZTA的硬度和耐磨性等比較接近，但具有很大的成本優(yōu)勢(shì)，從而成為近年來(lái)構(gòu)型陶瓷/鋼鐵耐磨復(fù)合材料的主要陶瓷增強(qiáng)相。

表1 常用耐磨復(fù)合材料的陶瓷增強(qiáng)相性能和成本數(shù)據(jù)

Tab.1 Properties and price of ceramics commonly applied as reinforcements of MMCs

由于構(gòu)型耐磨復(fù)合材料可以看成陶瓷顆粒均勻分布的增強(qiáng)復(fù)合材料與基體構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此其中均勻分布增強(qiáng)復(fù)合材料的耐磨性對(duì)構(gòu)型復(fù)合材料的整體耐磨性具有重要影響，是理解構(gòu)型復(fù)合材料耐磨性變化的前提。文中首先針對(duì)陶瓷顆粒對(duì)均勻分布增強(qiáng)復(fù)合材料耐磨性的影響進(jìn)行綜述。

1.1 陶瓷顆粒種類對(duì)復(fù)合材料三體磨料磨損的影響

對(duì)于耐磨復(fù)合材料而言，決定耐磨性的因素可以從陶瓷顆粒、基體以及陶瓷顆粒在基體中的分布狀態(tài)、陶瓷/基體界面結(jié)合性能等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。另外，耐磨材料在破碎、研磨工作時(shí)主要承受的是磨料磨損工況，其中根據(jù)沖擊功的大小，又可以分為無(wú)沖擊的三體磨料磨損工況和沖擊磨料磨損工況。

從最為常見(jiàn)的三體磨料磨損工況開(kāi)始，對(duì)比不同陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的耐磨性。表2[12—15]對(duì)比了陶瓷顆粒均勻分布增強(qiáng)的高鉻鑄鐵（HCCI）基復(fù)合材料的三體磨料磨損性能?？紤]到磨損試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的復(fù)雜性，不同文獻(xiàn)磨損試驗(yàn)的結(jié)果不容易直接對(duì)比，為此文中采用復(fù)合材料耐磨性與基體金屬相比的倍數(shù)（基體磨損量/復(fù)合材料磨損量）作為主要對(duì)比指標(biāo)。從表2看出，WC增強(qiáng)復(fù)合材料耐磨性最高，其次是ZTA顆粒，TiC稍弱（但與TiC顆粒太細(xì)小有關(guān)），最差是Al2O3。這些結(jié)果基本表明，陶瓷顆粒硬度對(duì)復(fù)合材料三體磨料磨損影響很大，其中，純Al2O3和ZTA增強(qiáng)復(fù)合材料磨損的對(duì)比表明，純Al2O3盡管硬度比ZTA高，但韌性較低，其復(fù)合材料的耐磨性反而較ZTA增強(qiáng)復(fù)合材料低，這說(shuō)明陶瓷顆粒的韌性對(duì)復(fù)合材料的耐磨性也很重要。

1.2 陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料磨料磨損的影響

不同ZTA體積分?jǐn)?shù)對(duì)ZTA/高鉻鑄鐵復(fù)合材料耐磨性的影響見(jiàn)表3，隨著復(fù)合材料中陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高，復(fù)合材料的耐磨性都是先升高后降低，存在一個(gè)陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)的最佳值。一般認(rèn)為，這是由于增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)較大會(huì)增大復(fù)合材料磨損時(shí)的開(kāi)裂趨勢(shì)。LI Ping等[16]曾報(bào)道過(guò)，ZTA體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料還能夠獲得3.9倍高的耐磨性，可能與復(fù)合材料中強(qiáng)的ZTA/鐵界面結(jié)合有關(guān)。

表2 不同陶瓷顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料

Tab.2 MMCs of HCCI reinforced by different ceramic particulates

表3 ZTA體積分?jǐn)?shù)對(duì)ZTA/高鉻鑄鐵復(fù)合材料耐磨性的影響

Tab.3 Influence of ZTA volume fraction on wear of ZTA/HCCI composites

1.3 陶瓷/基體界面對(duì)復(fù)合材料耐磨性的影響

目前除了少數(shù)研究外，大部分ZTA/鐵基復(fù)合材料的界面結(jié)合是弱結(jié)合，以機(jī)械結(jié)合為主。采用高溫液相燒結(jié)技術(shù)，或者通過(guò)包覆陶瓷預(yù)制體的高溫?zé)Y(jié)，結(jié)合鑄造浸滲技術(shù)，制備的復(fù)合材料具有較強(qiáng)的界面結(jié)合。界面結(jié)合對(duì)復(fù)合材料磨料磨損耐磨性的影響見(jiàn)表4，其中，ZHENG Bao-chao等[17]盡管加入了Ti，但形成的界面只有0.5～3.0 μm厚，相對(duì)LI Ping等[16]通過(guò)1500 ℃高溫?zé)Y(jié)形成的20～30 μm合金反應(yīng)層，其界面結(jié)合還是較弱，而且磨損載荷較高，因此界面結(jié)合相對(duì)較弱，因此，表4表明，在無(wú)沖擊的二體、三體磨料磨損中，陶瓷/鐵界面結(jié)合強(qiáng)，對(duì)復(fù)合材料耐磨性提高作用較大。

1.4 陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料的沖擊磨料磨損性能

耐磨材料很多是在中高沖擊工況下進(jìn)行服役的，比如各種錘頭、鄂板、襯板等。傳統(tǒng)使用的主要耐磨材料是高錳鋼（HMS）。盡管高鉻鑄鐵沖擊韌性較低（通常低于10 J/cm2），但在小型耐磨件、低沖擊工況下，也有應(yīng)用，因此，也有一些文獻(xiàn)進(jìn)行了陶瓷顆粒/高錳鋼、高鉻鑄鐵基復(fù)合材料沖擊磨料磨損性能的研究。一些這方面的研究結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可知，對(duì)高錳鋼基復(fù)合材料而言，其耐磨性既可能比高錳鋼高（高得不多），又可能不如高錳鋼[18—19]，尤其是在高沖擊功情況下，耐磨性比高錳鋼差[18]，而高鉻鑄鐵基復(fù)合材料耐磨性一般比基體高[20—21]。

表4 界面改性對(duì)ZTA/HCCI復(fù)合材料耐磨性的影響

Tab.4 Influence of interface modification on wear of ZTA/HCCI composites

表5 陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料的沖擊磨料磨損性能

Tab.5 Impact abrasive wear of ceramic/iron composites

2 構(gòu)型陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料的耐磨性

前述文獻(xiàn)都是針對(duì)陶瓷顆粒均勻分布的增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料進(jìn)行的研究，但是均勻分布增強(qiáng)復(fù)合材料在應(yīng)用方面并沒(méi)有獲得較大的突破。近年來(lái)構(gòu)型復(fù)合材料的發(fā)展在陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料方面取得了較大突破，在立磨磨輥等大型耐磨產(chǎn)品上獲得了廣泛應(yīng)用，因而成為近期國(guó)內(nèi)外耐磨復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)。

2.1 構(gòu)型高鉻鑄鐵基復(fù)合材料的耐磨性

當(dāng)前構(gòu)型耐磨復(fù)合材料的體系主要是ZTA增強(qiáng)高鉻鑄鐵和高錳鋼基復(fù)合材料。表6[14,22—26]表明了部分以高鉻鑄鐵為基體的蜂窩狀陶瓷增強(qiáng)復(fù)合材料的磨料磨損研究結(jié)果。可見(jiàn)，蜂窩狀構(gòu)型復(fù)合材料的三體磨料磨損耐磨性都比高鉻鑄鐵基體提高3.5倍以上，甚至達(dá)到12.6倍，尤其在磨料顆粒較大、壓力較高的惡劣工況下，比基體耐磨性提高得更明顯。

如前所述，表2—4中，ZTA顆粒均勻分布增強(qiáng)復(fù)合材料的磨料磨損耐磨性基本是基體的2倍，最高的是3.9倍。表6與表2—4對(duì)比表明，同樣是ZTA/ 高鉻鑄鐵復(fù)合材料，在ZTA顆粒的總體積分?jǐn)?shù)更低的情況下，蜂窩狀構(gòu)型復(fù)合材料三體磨料磨損的耐磨性顯著高于ZTA顆粒均勻分布的增強(qiáng)復(fù)合材料。也就是說(shuō)，構(gòu)型結(jié)構(gòu)對(duì)提高復(fù)合材料的耐磨性起到極大作用。

表6 蜂窩狀構(gòu)型ZTA/高鉻鑄鐵復(fù)合材料的磨料磨損耐磨性

Tab.6 Abrasive wear of ZTA/HCCI composites with honeycomb structures

構(gòu)型高鉻鑄鐵基復(fù)合材料的熱處理狀態(tài)對(duì)耐磨性有重要影響。周謨金等[22]研究顯示，ZTA/HCCI復(fù)合材料經(jīng)930 ℃淬火和不同溫度回火后，耐磨性隨著回火溫度升高而降低，在230 ℃回火后耐磨性最高，是基體的9.8倍，比鑄態(tài)時(shí)有明顯提高。

除了ZTA陶瓷顆粒外，鄭開(kāi)宏等[27]研究了0.5～1.5 mm的WC顆粒增強(qiáng)蜂窩狀Cr26高鉻鑄鐵基復(fù)合材料的耐磨性，其三體磨料磨損性能為基體的2.5倍，相比表6的ZTA/高鉻鑄鐵復(fù)合材料，耐磨性更低。這與表2中顆粒均勻分布增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的研究結(jié)果相比，規(guī)律是相反的，因此這方面有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。

2.2 構(gòu)型高錳鋼基復(fù)合材料的耐磨性

構(gòu)型高錳鋼基復(fù)合材料的磨料磨損研究相對(duì)較少。王楠等[28]系統(tǒng)研究了蜂窩構(gòu)型尺寸對(duì)ZTAp/高錳鋼基復(fù)合材料的耐磨性，ZTA(ZA25)/高錳鋼的陶瓷粒度為ZTA粒度80～100目，復(fù)合區(qū)體積分?jǐn)?shù)為36%～ 100%，復(fù)合區(qū)中陶瓷體積分?jǐn)?shù)為20%，顆?？傮w積分?jǐn)?shù)為7%～20%，基體為高錳鋼ZGMn13Cr2，制備技術(shù)為預(yù)制體高溫?zé)Y(jié)+鑄造浸滲（鑄態(tài)）。當(dāng)采用MMH-5型三體磨損磨料試驗(yàn)，150～250 μm石英磨料，壓力為29.4 N時(shí)，耐磨性是基體的1.3～1.6倍，且隨著復(fù)合區(qū)體積分?jǐn)?shù)增加，耐磨性升高[28]；當(dāng)采用MLD-10沖擊磨料磨損（1.5 J），石英磨料時(shí)，耐磨性是基體的0.6～1.05倍，且隨著復(fù)合區(qū)體積分?jǐn)?shù)的增加，呈V形變化，復(fù)合區(qū)面積比約為0.3時(shí)，耐磨性最高[28]。結(jié)果表明，隨著磨損表面中復(fù)合區(qū)面積比逐漸升高，復(fù)合材料的三體磨料磨損耐磨性呈升高的趨勢(shì)，且都高于高錳鋼基體（基體的1.3～1.6倍）。當(dāng)復(fù)合區(qū)占比72%時(shí)，復(fù)合材料的耐磨性最好，是高錳鋼的1.6倍。但是，在沖擊磨料磨損（1.5 J）下，大部分復(fù)合材料的耐磨性都比高錳鋼差，只有復(fù)合區(qū)面積比約為30%時(shí)，復(fù)合材料耐磨性比高錳鋼略好，是高錳鋼的1.05倍。

構(gòu)型高錳鋼復(fù)合材料的無(wú)沖擊磨料磨損耐磨性比高錳鋼稍高，而其沖擊磨料磨損耐磨性基本與基體相當(dāng)，或者更差。這應(yīng)當(dāng)是由于陶瓷顆粒的存在，影響了高錳鋼基體的加工硬化[29]，同時(shí)，陶瓷顆粒與基體的界面結(jié)合基本屬于機(jī)械結(jié)合，導(dǎo)致陶瓷顆粒容易脫落，無(wú)法對(duì)基體進(jìn)行保護(hù)。

2.3 構(gòu)型合金鋼基復(fù)合材料耐磨性

在傳統(tǒng)耐磨材料中，除了高硬度但脆性大的高鉻鑄鐵、低硬度高韌性的高錳鋼外，合金鋼是兼具硬度和韌性而且調(diào)節(jié)范圍廣的另外一大類，因此，合金鋼作為構(gòu)型耐磨復(fù)合材料基體也是今后研究的方向之一。

部分ZTA/合金鋼構(gòu)型耐磨復(fù)合材料的研究結(jié)果見(jiàn)表7[30—33]?？梢钥闯?，以強(qiáng)韌性兼具的合金鋼為基體的耐磨構(gòu)型復(fù)合材料，其三體磨料磨損的耐磨性都比基體高，約為基體的1.29～4.2倍。與高鉻鑄鐵基體的構(gòu)型復(fù)合材料相比，合金鋼基構(gòu)型復(fù)合材料的三體磨料磨損耐磨性明顯較低，而與高錳鋼為基體的構(gòu)型復(fù)合材料相比，合金鋼基復(fù)合材料的沖擊磨料磨損耐磨性略高。結(jié)合三類基體合金的硬度分析，表明隨著基體硬度提高，構(gòu)型復(fù)合材料耐磨性也提高。

在沖擊磨料磨損工況下，合金鋼基復(fù)合材料耐磨性一般比基體高，但提高程度（是基體的倍數(shù)）比三體磨料磨損工況相比要低，但是有的比基體差。與2.2節(jié)介紹的高錳鋼基復(fù)合材料相比，合金鋼基復(fù)合材料耐磨性稍高。這也符合基體硬度高、耐磨性好的規(guī)律。

3 陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料的磨損機(jī)理

從前述復(fù)合材料耐磨性研究結(jié)果看，無(wú)沖擊或低沖擊磨料磨損工況下，以高硬度的高鉻鑄鐵為基體的復(fù)合材料，其耐磨性提高顯著；高沖擊磨料磨損工況下，以硬度低、需要加工硬化的高錳鋼為基體的復(fù)合材料，其耐磨性提高不明顯，因此，對(duì)于不同的工況和不同的復(fù)合材料，應(yīng)當(dāng)具有不同的磨損機(jī)理。

Li等[34]提出了陶瓷顆粒均勻分布增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的磨料磨損模型，如圖1所示。在無(wú)沖擊磨料磨損時(shí)，表面基體首先被磨料磨損下凹，陶瓷顆粒因磨損慢而凸起，從而沿磨損方向保護(hù)相鄰的下凹基體，使其減慢或停止磨損，這稱為陰影效應(yīng)。同時(shí)，陶瓷顆粒相鄰的基體對(duì)其有支撐，防止脫落，這稱為支撐效應(yīng)。在陶瓷顆粒和基體的陰影效應(yīng)和支撐效應(yīng)的共同作用下，復(fù)合材料體現(xiàn)出比金屬基體更耐磨的性能。

對(duì)構(gòu)型復(fù)合材料而言，其磨損表面由基體區(qū)和復(fù)合區(qū)有序分布組成，其中復(fù)合區(qū)為常規(guī)陶瓷顆粒均勻分布增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，如圖2所示。在無(wú)沖擊磨料磨損時(shí)，表面復(fù)合區(qū)的磨損機(jī)理與圖1中的常規(guī)復(fù)合材料相同。同時(shí)，宏觀上，表面基體區(qū)被優(yōu)先磨損下凹，而復(fù)合區(qū)因磨損慢而凸起，從而對(duì)相鄰的下凹基體區(qū)形成一定保護(hù)作用，使其減慢磨損，這稱為宏觀陰影效應(yīng)。相應(yīng)地，復(fù)合區(qū)內(nèi)陶瓷顆粒對(duì)基體的保護(hù)作用稱為微觀陰影效應(yīng)。另外，基體區(qū)也可以阻止因復(fù)合區(qū)中的裂紋嚴(yán)重?cái)U(kuò)展導(dǎo)致的復(fù)合區(qū)大面積剝落。正是由于構(gòu)型復(fù)合材料具有宏微觀雙陰影效應(yīng)，以及基體抑制開(kāi)裂的作用，因此構(gòu)型復(fù)合材料體現(xiàn)出比常規(guī)陶瓷顆粒均勻分布增強(qiáng)復(fù)合材料更耐磨的性能。

表7 蜂窩狀構(gòu)型ZTA/合金鋼復(fù)合材料的耐磨性

Tab.7 Wear of ZTA/alloyed steel composites with honeycomb structures

圖1 陶瓷顆粒均勻分布增強(qiáng)復(fù)合材料無(wú)沖擊磨料磨損機(jī)理[34]

圖2 構(gòu)型復(fù)合材料無(wú)沖擊磨料磨損機(jī)理

在沖擊磨料磨損工況下，如圖3所示，構(gòu)型復(fù)合材料承受的磨損包括兩種，一是磨料沿磨損方向的犁削，二是磨料顆粒強(qiáng)烈的垂直擠壓。在磨料犁削的作用下，陶瓷顆粒以及復(fù)合區(qū)的雙陰影效應(yīng)仍然發(fā)揮作用，但是，磨料的高應(yīng)力擠壓會(huì)導(dǎo)致陶瓷/基體界面開(kāi)裂，以及陶瓷顆粒破碎。這都會(huì)導(dǎo)致陶瓷顆粒的脫落，復(fù)合材料磨損升高，因此，在沖擊磨料磨損工況下，構(gòu)型復(fù)合材料的耐磨性比無(wú)沖擊時(shí)低很多。

圖3 構(gòu)型復(fù)合材料沖擊磨料磨損機(jī)理[32]

4 結(jié)語(yǔ)和展望

根據(jù)目前的文獻(xiàn)研究，關(guān)于構(gòu)型陶瓷/鋼鐵基復(fù)合材料磨損性能，有以下幾點(diǎn)規(guī)律。

1）在無(wú)沖擊的磨料磨損工況下，構(gòu)型復(fù)合材料的耐磨性顯著高于陶瓷顆粒均勻分布的增強(qiáng)復(fù)合材料，復(fù)合材料耐磨性與基體硬度相關(guān)，高鉻鑄鐵基復(fù)合材料耐磨性高于合金鋼基復(fù)合材料，又高于高錳鋼基復(fù)合材料。

2）在高沖擊的磨料磨損工況下，合金鋼基復(fù)合材料耐磨性比基體高，但提高程度比磨料磨損工況時(shí)低，甚至有的比基體還差，合金鋼基復(fù)合材料耐磨性比高錳鋼基復(fù)合材料稍高。

3）結(jié)合磨損機(jī)理分析，在無(wú)沖擊磨料磨損工況下，構(gòu)型陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料耐磨性的提高取決于陶瓷顆粒的硬度和韌性的綜合性能、基體硬度以及陶瓷/基體的界面結(jié)合強(qiáng)度；在沖擊磨料磨損工況下，構(gòu)型陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料耐磨性的提高主要取決于陶瓷顆粒韌性、基體硬度以及陶瓷/基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。

基于上述分析，基于陶瓷/鋼鐵復(fù)合材料在耐磨材料領(lǐng)域的巨大性能優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步大力開(kāi)展耐磨復(fù)合材料的磨損性能和應(yīng)用研究。筆者認(rèn)為，陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基耐磨復(fù)合材料的研發(fā)方向有：發(fā)展更多增強(qiáng)陶瓷、空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)型復(fù)合材料，研究其組分材料、空間構(gòu)型、力學(xué)性能與耐磨性的關(guān)系；研究構(gòu)型耐磨復(fù)合材料在更多耐磨產(chǎn)品上的應(yīng)用基礎(chǔ)，比如襯板、鄂板等；研究在高沖擊、高應(yīng)力作用下的高耐磨構(gòu)型復(fù)合材料；進(jìn)一步研發(fā)構(gòu)型耐磨復(fù)合材料的制備新技術(shù)和新工藝，以提高陶瓷/鋼鐵界面結(jié)合強(qiáng)度，降低復(fù)合材料的制備成本，并更好地滿足不同大小、形狀的耐磨產(chǎn)品的制備需要。

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Research Progress of Wear Performance of Ceramic Particulates Reinforced Iron Matrix Architecture Composites

LU De-hong, JIANG Ye-hua

(Faculty of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

In recent years, architecture composites of ceramic particulates reinforced iron matrix become the hotspot of researches and applications of wear resistant materials due to the superior wear performance. The paper reviews and analyzes the wear performance of the architecture composites according to the literatures. The results indicate that, under abrasive wear conditions without impact, the wear resistance of the architecture composites ranks with different matrices as fallow: high chromium cast iron (HCCI) based is higher than alloyed steel based, further higher than high manganese steel (HMS) based composites; it ranks with different ceramics as fallow: WC reinforced is higher than TiC and ZTA, further higher than Al2O3reinforced composite; the high content of ZrO2in ZTA is beneficial. Under abrasive wear conditions with high impact, the wear resistance of the architecture composites is much less than that without impact, even worse than the matrices; alloyed steel based is higher in wear resistance than HMS based composites. The wear mechanisms of the architecture composites are reviewed. And proposals on the research directions of the composites as wear resistant materials are also provided.

ceramic particulates reinforced iron matrix composites; architecture composites; wear resistant materials; progress

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.004

TB333

A

1674-6457(2021)03-0040-09

2021-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（51865024）

盧德宏（1968—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料、耐磨材料。