（材料加工工程专业论文）电冶熔铸钢基复合材料组织及磨损性能研究.pdf

电冶熔铸钢基复合材料组织及磨损性能研究 摘要 采用电冶熔铸工艺成功制备了钢基复合材料。研究了以g c r l5 轴承钢为基 体，分别添加不同含量的w c 、t i c 、s i c 颗粒后所得复合材料的组织，重点分 析了其磨损性能，探索了不同成分材料的磨损机理。 w c n 复合材料中，w c 颗粒含量较低的复合材料在高温下溶解严重，基 体形成不连续网状复式碳化物沿晶界分布，基体中由于快速冷却析出了许多细 小的原位w c 颗粒；w c 颗粒含量较高的复合材料中保持了一定量的原始颗粒， 在基体中均匀分布：大颗粒w c 颗粒周围形成了厚达数微米的反应层，界面结 合强度大为提高。 t i c 钢复合材料中，原始t i c 颗粒很好的保留在基体中；而s i c 锦 复合材 料中s i c 几乎全部溶解于基体，但在基体中存在大量原位析出的s i c 小晶粒。 磨损试验中发现，所有复合材料的耐磨性均比基体材料有不同程度的提高， 含大颗粒w c 复合材料的耐磨性比含小颗粒w c 复合材料的耐磨性要好，颗粒 含量、大小、间距对材料的磨损性能都有影响；通过对磨痕形貌的观察，认为 基体材料g c r l5 的磨损机理以粘着磨损和磨粒磨损为主，加入硬质颗粒后，以 磨粒磨损为主，而且随硬质颗粒含量的增加，粘着逐步减轻。 关键词：电冶熔铸：显微组织：摩擦磨损；磨损机理；界面：增强颗粒 r e s e a r c ho i lt h e i i c r o s t r u c t u r ea n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h e s t e e lm a t r i xc o m p o s i t e sp r o d u c e db ye l e c t r o s l a gm e l t i n ga n d c a s t i n gt e c h n i q u e a b s t r a c t s t e e lm a t r i xc o m p o s i t e sh a v eb e e np r o d u c e db ye l e c t r o s l a gm e l t i n ga n dc a s t i n g t e c h n i q u e t h em i c r o s t r u c t u r eo fc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n th a r dp a r t i c l e si n g c r i5m a t r i xw a sr e s e a r c h e d t h ew e a rr e s i s t a n c ea n dm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d ， i nt h ec o m p o s i t e sw i t hl o w e rc o n t e n tw c p a r t i c l e s ，t h eh i g h e rs o l u t i o no fw c p a r t i c l e sm a k e sc e m e n t e dc a r b i d ec o m p o u n da l o n gt h eg r a i nb o u n d a r ya n ds m a l l i n s i t uw c p a r t i c l e s 懿ef o u n di nt h em a t r i x i nt h ec o m p o s i t e sw i t hh i g h e rc o n t e n t w c p a r t i c l e s ，t h es o u r c ew cp a r t i c l e sa r ek e p tp a r t l ya n dd i s t r i b u t e di nt h em a t r i x u n i f o r m l y t h e i n t e r f a c eb e t w e e nl a r g ew c p a r t i c l e sa n ds t e e lm a t r i xf o r m st h e r e a c t i o nl a y e ro fs e v e r a lr a m sw h i c he n h a n c e st h et o u g h n e s so fi n t e r f a c eh i g h l y i nt h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e d b yt i cp a r t i c l e s ，t h es o u r c ep a r t i c l e sa r ek e p t u n c h a n g e d w h i l ea l lo fs i cp a r t i c l e sd i s s o l v ei nt h em a t r i xa n dm a n ys m a l li n s i t u s i cp a r t i c l e sa r ef o u n di nt h em a t r i x w ea l s oh a v ef o u n dt h a tt h ew e a rr e s i s t a n c eo fa l lt h ec o m p o s i t e si so b v i o u s l y i m p r o v e dt od i f f e r e n te x t e n t ，t h er e s i s t a n c eo fc o m p o s i t e sw i t hl a r g eh a r dp a r t i c l e s i sb e t t e rt h a nt h ec o m p o s i t e sw i t hs i n a i lh a r dp a r t i c l e s t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h e c o m p o s i t e si s i n f l u e n c e db yt h ec o n t e n t s ，t h es i z e sa n dt h ed i s t a n c eo ft h eh a r d p a r t i c l e so b v i o u s l y t h e s e mi m a g i n e so fw o r ns u r f a c es h o wt h a t t h ew e a r m e c h a n i s mo fg c r t5m a t r i xi sa d h e s i v ew e a ra n da b r a s i v e w e a r 、t h ew e a r m e c h a n i s mo f c o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yh a r dp a r t i c l e si sm a i n l ya b r a s i v ew e a r t h e a d h e s i v ew e a ri sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e o ft h ec o n t e n to fh a r d p a r t i c l e s a c c o r d i n g l y ， k e y w o r d s ：e l e c t r o s l a gm e l t i n ga n dc a s t i n g ，m i e r o s t r u c t u r e ，w e a ra n d f r i c t i o n ，w e ，a r m e c h a n i s m ，i n t e r f a c e ，r e i n f o r c e dp a r t i c l e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过l r 勺 研究成果，也不包含为获得盒胆些叁翌 或其他教育机构的学位或证h 而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谫f 意。 学位论文作者签字：彼是签字日期：知。争年每月汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些丕堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 艿向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 妲些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：桂吴 签字日期：h p 年4 月3e t 导师签名：乞锄 签字日期：坩一驴年轳月3 日 学位论文作者毕业后去向： _ 丁作单位：上曳嚷困鬼车工旌研究阮 电话 通讯地址：邮编 藉弋t 了 致谢 本文是在导师尤显卿剐教授、蒋阳教授的悉心指导下完成的职位导师从 培养计划韵制定骛i 研究论文的选题、飘窝验方案的确定到毕业论文的攒写都龄 予了糟心蛉捂导稻关注。强位导烬忘我鲶王 睾赣祷、严谨馥洽举佟风鹞科学瀚 思维方法将使学生终生获澈。在此对两能恩师在学习上的指导和生活上的关心 骛以衷心豁感谢。 在实验i 挂行过程中，材料学院实验中心的郑难春、陈九磅、程娟文、王学 伦、鞭饕秀老薅给予了大力支持霸镪，搿导；x 射线实验室静籀述培意婶 睾了 大豢精心细致的分析工作：中国料技大学结构中心的邢老师在试验过程中也给 了辍大酶帮助。在戴并表示衷心的感谢 竣后，黉特慰感谢烬兄王基才秘簸庭餐，健嬲在渫题磋究中给予了诲多秃 私的帮助和热情的敲励。 感谢爨肖支持我窝关，凸我骜老簿窝慰学! 穆者： 薹奚 2 0 0 4 年3 月于合肥 第一章绪论 1 。1 弓| 言 材料恩人类社会赖以生存和发展的物质基础，也怒人类文明程度的标志之 一。同时，材料鹣学也是壤代科学技术游支柱之一，玖人类社会款发溪来看， 材料科学的发展从一定程度上表征了人类的进化程度，从世界科技发展史看一， 重大的技术革毅往往起始予挂料的革瓤。近几十年来，挂料鲍发展e | 凝月异， 信慰功能材料、纳米材料、生物材料、高温与结构材料等新型材料成为各国2 1 世纪争相发展和研究的对苏，新型材料的产生必将引发新一轮的技术革命。 上遵纪中时复合材科的出现使材料的发展进入了一个新的时期。复合材料 是人们运用先进的材料制各技术将不同性质的材料组分优化缀合而成的新材 誊季，其各个缓或孝芎精在淫驻上超协调俸粥，褥爨单一稀辩无法滗越的优越的综 合性能。它已经成为当代一种新型的工稷材料。复合材料具有刚度大、强度高 等优点，瑟鼗霹苏投据馒弼条 孛戆要求遂行设诗秘裁造，以满是各耱特殊霜途， 从而极大的提高了工程结构的效能【l 。j 。 在复合枣葶辩中褥其组分分为罄薅帮臻强戆。逶豢将涟续分布熬缝分称为鏊 体，如聚合物基体、金属藻体、陶瓷基体；将纤维、颗敉、晶须等称为增强体。 按基体捌捌。躲不嗣，复含材料可以分为三大类：糖艟基复合楗辩、金嚣基复合 材料和陶瓷基复合材料。欧美各豳投入了相当大的力量对复合材料进行了研究 3 1 ，取锝了缀大的进展，我园科研工 乍者也在该领域进行了卓存成效的探索f4 。7 】。 1 2 金属熬复合材料的发展状况 金属萋复合奉手籽是由搿性麓鲜维、潞须、颗粒等增强体与鑫属基体通过一 定的方法复合而成，从而疑示出不同于基体整体的物理性能和机械性能如：兼 有金疆静毪藐( 塑继帮毂靛) 黎辫瓷的饶点( 毫强疫帮高潮度) ，其有离比强度、 低热膨胀率、耐热、耐磨、导电、导热等优异的综合性能，其应用前景十分广 泛。鸯鼹6 0 年代k e l l y , l l o y d 等久善次慧缍出金耩基复会赫赫麓资瓣焉，立颦 引起了各国学者和科研人员的关注，成为复合材料一个十分重要的分支f 8 。”】。 1 2 1 金属基复合材料的分类 金属基复合毒才料可以分为连续纤维增强、粪连续体增强( 镪括鬏毁、短纤 维和晶须) 和叠层复合三炎。所用的基体金属包括a 1 ，m g ，t i 等轻金属及其合 金、高温合念以及金属间化台物等，也有少量以钢、铜、锌、锻为基馋。 ( i ) 连续增强褡主要有碳及石墨纤维、碳纯硅纤维( 包括钨芯及碳芯化学气 相沉积丝) 和先驱体热解纤维、硼纤维( 鹤芯) 、氯化铝纤维、不锈钢丝和钨丝 等： ( 2 )非连续增强体中短纤维常用氧化铝( 含莫来石和硅酸铝) 纤维，颗粒则 有碳化硅、氧化铝、氧化锆、碳化钛和碳化硼等； ( 3 )晶须类主要为碳化硅、氧化硅及最近开发的硼酸铝、镁酸钾等。 早期的研究工作主要集中在连续纤维增强物上( 在这个领域的工作现在仍 在进行) ，很快发现了由于连续纤维的高成本、复杂的制备过程、制造的局限性 使得它难以推广应用，这导致了非连续增强复合材料的迅速发展，特别是短纤 维和陶瓷颗粒复合材料，人们把注意力放在铝合金、钛合金、镁合金上，一方 面是由于它们自身的比强度、比刚度和延展性等综合性能好，另_ 方面是由于 它们已经具备了较成熟的加工工艺，在航天航空工业、汽车工业、电子仪表行 业中有着广泛的应用空间 1 4 - 1 9 】。随着研究的深入，人们不再把眼光局限于铅、 镁、钛等轻合金上，而是根据具体的设计和使用性能要求，相继开发出了铜基、 镍基、锡基、铅基、锌基、铁基和钢基的多种金属基复合材料。在实际应用中， 美国已经在航天航空领域、日本在汽车工业上已经成功应用了金属基复合材料， 西欧各国也在研究和应用上取得了巨大的进展，我国的研究工作也在进一步深 化【2 “2 3 1 。 1 2 2 金属基复合材料研究的热点 金属基复合材料的复合工艺比高聚物基复合材料相对复杂和困难，这是由 于金属熔点较高，需要在高温下操作，同时不少金属对增强体表面的润湿性很 差，甚至不润湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体发生反应，所以 工艺增加了复杂性，且不成熟，导致制造成本提高，但是由于它性能的优越性 和具有潜力，因此吸引了很多材料工作者致力于研究和开发，主要就当前已经 应用和比较有工业化发展前途的品种对其结构和性能方面进行了深入的研究， 同时也探索了新的复合工艺方法，目前金属基复合材料研究的热点主要集中在 以下几个方面2 4 。2 7 】： ( 1 ) 金属基复合材料的界面 金属基复合材料的界面问题一直是困扰本领域工作者的重大问题。因为金 属基复合材料的界面结构非常复杂，虽然多数金属基复合材料是以界面反应的 形式结合，但是反应的程度受工艺方法及温度参数的影响极大，同时因为界面 区尺寸仅为纳米级，从而使分析表征工作困难很大，因此目前的研究工作是致 力于用各种先进的分析手段如高分辨率透射电镜( h r e m ) 和带有能量色散x 射线谱( e d s ) 及带有电子探针或能谱的扫描电镜( s e m ) 等方法表征界面结 构，这些工作虽然已经取得了不少成果，但是迄今为止，还不能说上述方法能 强有力的表征界面结构，而经常需要用多种方法的测定结果加上科学推断才能 比较详细的了解界面。研究表明，界面结构对复合材料的性能影响极大，为了 防止由于界面反应生成的脆性陶瓷产物在受力时起到萌生裂纹源作用，不少研 究工作者提出了各种对增强体表面做涂层处理的方法，使涂层既改善了界面润 湿性又起到反应阻挡层的作用，取得了一定的效果，其中复合材料梯度涂层能 起到良好的综合作用，但是这种方法工艺复杂，难以大量应用，界面结合力的 大小也对复合材料产生很大的影响，因为界面有双重作用，一方面起到传递应 力的作用，使增强体承担主要载荷；另一方面又以界面脱粘和增强体的拔出来 使裂纹偏移和吸收能量，因此实验证明确实存在最佳的界面结合状态，然而由 于界面的复杂性，一时难以从理论上取得界面优化的判据，即便界面结合力的 测定也没有满意的方法。 ( 2 ) 会属基复合材料的凝固过程 金属的凝固过程已经研究的比较成熟，但金属基复合材料的凝固过程由于 增强体的存在使基体金属的凝固过程变得复杂，难以套用现有的金属凝固理论， 实际一k 由于增强体的存在，其凝固过程的温度场和浓度场、晶体生长的热力学 和动力学过程都会发生变化，同时一般凝固过程均处于非平衡条件下，因此流 体的流动行为、溶质的再分配规律以及凝固体的组织形态也有相应的变化。由 于这些变化均将对金属基复合材料的性能产生明显的影响，所以越来越得到重 视，尽管目前的研究结果尚不多，但是已经发现了许多值得深入研究的问题， 而且j _ f 在不断地扩大与深化之中。对于颗粒增强金属基复合材料的研究发现， 在凝固过程中，由于颗粒与基体的液固界面的相互作用随着凝固速度的改变将 出现不同的行为，即凝固速度小时复合材料中颗粒会被液固界面推移，而凝固 速度大时颗粒则被液固界面吞没，使复合材料中颗粒均匀分布，其中存在一个 临界速度作为两种行为的分界线。同时金属基复合材料凝固速度变化对其力学 性能的影响因其所用的复合体系不同而异。 ( 3 ) 非连续增强金属基复合材料的制各科学 非连续增强体( 颗粒、短纤维、晶须) 增强的金属基复合材料，由于其制 造工艺较简单，价格相对比较便宜，所以在汽车、纺织等民用工业中初步获得 应用，特别是s i c 颗粒增强和硅酸铝短纤维增强的复合材料现在已经有一定的 生产规模。对这一类金属基复合材料在制备过程中出现的问题必然会引起广泛 的重视，目前已经有不少文献报道了这方面的研究工作。由于上述原因，颗粒 增强金属基复合材料吸引了不少研究工作者的注意，其中用搅拌工艺制备过程 的研究较多，研究结果表明，液态搅拌和半固态搅拌各有优缺点，前者粘度小， 流动性好，易于操作，但容易夹杂、发生界面反应和卷入气体：后者虽有工艺 上的困难，且容易造成合金元素偏析，但由于温度低而避免界面反应，同时也 有利于细小颗粒的加入和分散均匀，从而能明显提高复合材料的强度。为改善 颗粒和熔体之问的润湿性，提出了对颗粒进行表面处理和改变基体合金组成等 两种措施。另外也有不少研究致力于设计搅拌形式及桨叶设计。用挤压铸造法 制备复合材料也有很多研究，主要集中在不同温度和压力条件以及增强体百分 体积对颗粒性麓静彩穗。 壹褥注塞静是，受环辘徐护帮资源零j 用意识的彩响， 金属基复合材料的回收再生问题也开始出现探索研究，并正在扩大和深入。 ( 4 ) 金疆蓥复合弦糕夔瑷位复合 金属熬复合材料的原位复合技术基本上能够克服其他工艺中通常出现的一 系列阕题，如基体窝增强髂浸澜不良，爨瑟反应产生爨性爱，壤强 奉分鸯不均 匀，特别是对微小的( 弧微米和纳米级) 增强体极难进行复合等，作为种具 有突破性鲍新工艺方法丽受到普遮的重援，并j “泛开震了研究 二俸。其中篷挺 直接氧化法、无压力浸润法、自蘸延法和在金耨中已有研究基础的原位共晶生 长法等。遮些方法虽各有特点，但具有共性即炭台材料的强度、韧性盼及其它 力学往能取决予琢位生长的增强褶本身的物理悭质和几何尺寸以及显微组织形 态和基体棚的含量。需要指出的是，原位复合是有发展随途的，但是，目翦在 蘸位反应对，豫了掰预计生成的臻强俸井，仍不免有其他副反应物存在，同时 对增强体的体积分数也难以精确控制，因而影响材料质量稳定性，这魑都是怨 持瓣决趣阉题。 由此可见，金属基复合材料鬻在未米取得进一步的发展并列入规模生产品 秘懿行烈，还套一段艰难黥黪程，毽是痰于它瞧链优势豹存在，是育舞确发震 前凝的，遗就需要广大材料研究工作者i l 行深入细致的基础研究，探索新的工 艺方法并开拓耨毂蠢针对性的应照范匿。 1 3 颗粒域强钢铁基复台材料发展状况 金属基体是颗粒增强鑫属基复台材料的主要组成部分，起着固结增强颗粒、 传邀和承受各种载荷( 力、热、电) 的作熙。最初关于金属基复会毒季料的研究主 要集中在虢空航天锈域，递丽入稻豹注意力一开始就放在铝合金、钛合金和镁合 金上，这些合金自身具有较好的综合力学惺能如。比强度、比刚废及延矮性等， 魏上它翻己具备了较藏熬豹麓工工艺，轿究遂震非鬻浚，僵寤予这类合金自身 成本较高，经济效盏不高，因而在民用领域的推广受到了限制，仅仅在颦事领域 应鼹比较广。泛。隧壤研究瓣深入，太销鬏攒其藩瀚设毒卡鞠使矮瞧麓要求，在充分 考虑到经济效益的前提下，相继研究开发了铜基、镍基、铝基、银基、锡基、 铅基、锌基、铁基秘镪基懿多穆金震基复台耪鞋。， 钢铁是机械等行业中威用最广泛的结构材料，在今后相当一段时削内，钢 铁在现代工业中 乃掩占有蘸要地位。但是，现代辩学技术懿笈矮对镪铁誊砉罄掇 出了更高的骚求，蒋通的举一钢铁材料越来越难以满足实际需鬣。目前人们对 钢铁旗复合树料的研究方国比较多，僵主瑟集中在颗粒增强的镪铁基复合枋料， 颥粒增强复合材辩瀚强度褴能虽然眈纤维增强复合材料的强度低，但是钢铁与 纤维的润湿性很差，所以一般不用纤维增强钢铁，加上颗粒成本低，般情况 下叉可以满足零箨静洼能癸求，掰璐颗粒复台辛才料其有较大的实用价缎。颗粒 4 增强钢铁基复合材料由于融合了钢铁和增强颗粒的特性，既具有优异的力学性 能，又具有良好的耐磨、耐高温和一定的耐蚀性，因此是一种优良的结构材料。 但长期以来由于钢铁的熔点高、密度大以及常用增强颗粒在钢中易产生偏聚等 问题，使得目前钢基和铁基复合材料的研究应用很少。然而现代工业的发展又 迫切需要能够在高温、高速和高磨损条件下工作的结构件，因此进一步研究和开 发铁基和钢基复合材料仍有十分重要的意义。 复合材料中的增强颗粒一般要求具有高强度、高硬度、高模量，常用的增 强颗粒有w c ，t i c ，s i c ，a 1 2 0 3 ，t i n 等碳化物，氧化物、氮化物。选择增强 颗粒的参数包括弹性模量、密度、拉伸强度、熔点、热稳性、热膨胀系数、尺 寸、形状、与基体的相容性及成本等，具体选择增强相时要将复合材料的用途、 生产工艺及成本等综合起来统筹考虑【2 “”j 。 颗粒增强复合材料的基体金属和增强颗粒的选择需要综合考虑的因素是： ( 1 ) 使用性能：作为结构材料，获得满足特定的使用性能是复合材料设计需要考 虑的首要因素。这些性能包括高强度、低密度和高的耐磨性。 ( 2 ) 工艺特性：颗粒增强金属基复合材料的制备工艺可分为固相法( 粉末冶金法) 和液相法。粉末冶金法是将固态基体金属粉末和增强颗粒机械混合后，在一定 的温度和压力条件下压制、烧结成型。在粉末冶金法制备过程中，金属基体与 增强粉末材料的组合、配比，颗粒尺寸的控制及热压成形工艺控制是材料性能 控制的主要环节。而液相法需要特殊考虑的问题包括：基体金属液与增强颗粒 的润湿特性及化学作用和由于增强颗粒与基体金属液的密度差异而导致的比重 偏析。 ( 3 ) 生产成本：作为工业结构材料，复合材料的生产成本是需要考虑的重要因 素。 ， 目前颗粒增强钢铁基复合材料中已经发展和正在发展中的包括诚摩金属陶 瓷材料、金属玻璃复合材料、复合摩擦材料、钢一碳化物复合材料和弥散强化钢 基复合材料等等，世界各国的研究已经取得了很大的进展，我国在这方面的研 究也在紧追世界潮流。 1 4 颗粒增强金属基复合材料的制各工艺 颗粒增强金属基复合材料的性能、成本及应用等在很大程度上取决于其制 备技术。因此，研究和发展有效的制各技术一直是颗粒增强金属基复合材料研 究的重要课题之一。随着人们对颗粒增强金属基复合材料研究的不断深入，近 年来颗粒增强金属基复合材料的制备技术发展也十分迅速。 ， 1 4 1 粉末冶金法 粉末冶金法是制备金属基复合材料的传统方法。粉末冶金是用金属粉木( 或 金属粉术与非金属粉末的混合物) 作为原料，经过成型和烧结制造金属材料和 复合材判以及各种类型制品的工艺过程。采用粉末冶金法制备复合材料时，能 够直接生产出具有特定形状和尺寸的零件，目前已经成功的制备了多种金属基 复台材判。 粉术冶金法制备金属基复台材料具有以下优点： ( 1 ) 烧结或热等静压的温度低于金属的熔点，可以减少困高温引起的增强材 剿与金属基体的界而上的反应，同时可以通过烧结或热静压的温度、三 力和时问等t 艺参数的调整来控制界面反应： ( 2 ) 可以根据所设计的会属基复合材料的性能要求，制造任意比例的短纤雏 或颗粒增强的复合材料； ( 3 ) ，j 以降低增强体与基体相互涧湿的要求，也降低增强体和基体的密度差 要求，使颗粒或短纤维均匀分布在金属基复合材料中粉末冶金法制备 的金属基复合材料可以通过传统的金属加工方法进行二次加_ ，进一步 提高性能和尺寸精度。 1 4 2 液相法 ( 1 ) 传统铸造方法 粉末冶金法存在工艺复杂、成本高、零件的结构尺寸受限制等缺点。而采 取铸造法则克服了粉末冶金法的不足，它是直接把增强颗粒加入到液态金属中， 使颗粒在液态金属中均匀分布，并最终弥散分布于固态金属基体中。这一方法 因为工艺比较简单、制品质量较好，所以受到普遍的关注。现在面临的主要向 题是液态金属与颗粒之间的润湿性1 i 好和比重差较大，为此，人们研究了多种 工艺方法希望得到理想的复合材料性能，目前这方面的研究十分活跃l3 3 - 4 1 。 表i - 1 ：复台材料的制取上艺 t a b l e 卜1 ：t h ep r o d u c i n gm e t h o d so f c o m p o s i t e s 制造工艺特点存在问题 粘结剂渣化，预制袭烘下工岂不 培漕浊表面局部复合 易掌握 环型1 i _ 】_ ，外表面或内表面夏 离心铸造注凝固速度币易控制 舍。粒子与母材比重筹七 真卒吸链法 表面局部复台 压力及颗粒预热温度范甩币易 压力铸造法控制 整体复台，适用于低熔点合 液态搅拌法颗粒易偏析搅拌过程中易吸气 金 整体复合，颍粒与基体比重= r 艺复杂需快速撮固粒子古 喷射分散往 差小 量不易控， j = 半故志铸造珐整体复合 1 艺复杂，设备多 采用普通的铸造方祛制备颗粒增强复合材料，由于颗粒的存在，律行难以 获得预计的复合利料性能，所以人们就针对不同的零件要求改进了铸造法，提 出了不同的复合工艺。各种不同的铸造工艺详见表1 。 由上表可以看出虽然铸造方法制备颗粒复合材料的工艺很多，但是往往只 是针对某一特殊的零件要求或环境要求，距离实用推广还有一定差距，总体上 还是处在试验阶段，还有很多问题有待解决。 ( 2 ) 喷雾共沉积法 除了表l 所列出的铸造工艺方法以外，喷雾共沉积法也引起了人们的注意 4 2 - 4 5 ，这种方法在某些方面具有一定的优势，在一定程度上有实用的价值。共 唢沉积法1 9 6 9 年由ares i a g e r 发明，随后由0 s p r a y 金属有限公司发展成工 业规模生产的制造技术，其基本原理为：基体金属液通过特殊的喷嘴，在惰性 气流的作用下雾化成细小的液态金属流并和增强颗粒一起沉积在衬底上，凝固 形成复合材料。共喷沉积法过程中，增强颗粒和基体金属熔液的接触时间较短， 凝固速度快，在基体金属熔液和增强颗粒之间具有化学反应倾向的情况下，有 利于减轻增强颗粒和基体金属熔体之间的化学反应，不易形成脆性化合物；不 会出现因重力作用引起的增强颗粒的沉聚问题，且由于冷却速度快，所得复合 材料的组织和快速凝固相近，晶粒细、无宏观偏析、组织均匀：可以通过控制 喷射角度和速度来控制增强颗粒的加入量和分布。但在应用上受到零件形状的 限制，且原材料利用率不高、制成品的孔隙率较高。 ( 3 ) 原位合成法 原位合成法是利用合金液体的高温，使熔体中的合金元素和化合物发生反 应，生成增强相颗粒，这就避免了外加颗粒尺寸较大且分布在晶界的问题。而 且一般的铸造方法存在一些缺陷，如基体与增强颗粒润湿不良，界面反应生成 脆性层，增强体分布不均匀等。原位合成法就克服了这一系列的问题。一般的 讲，原位反应有三种类型：一种是气体和液体的反应如：f e a i + n 2 0 2 一一 f e a 1 + a 1 2 0 3 ；另一种是液体和液体的反应如：f e t i 】+ f e b 卜一一f e + t i b ；第三 种是液体和固体的反应如：f e t i + f e c 一一f e + t i c 。 原位自生成复合材料中增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳 定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，基体与增 强材料间的相容性好，界面干净、结合牢固，特别当增强材料与基体之间有共 格或半共格关系时，能非常有效地传递应力，因此这种复合材料有较优异的力 学性能。省去了增强体单独合成、处理和加工等工序，工艺简单，成本较低， 在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度 和弹性模量。 目前面临的主要问题是，在原位反应时，除了预计生成的增强体以外，仍 不免有其他副反应夹杂物存在，同时对增强体的体积分数也难以精确控制，因 而影响材料质量稳定性，这些都是急待解决的问题。但是虽然存在一些问题， 原位复合仍然是很有发展前途的，具有广泛的应用前景，需要我们进一步研究 和推广。，目前原位合成技术制备复合材料的研究已经在我国展开，已见公开的h 有a l 基颗粒增强复台材料和f e 基颗粒增强复合材料。4 “。 。 1 4 3 电冶熔铸法 针对上述制备工艺的不足，台肥工业大学材料学院尤显卿等人经过多年的 研究攻关，研制成功了新型的颗粒增强钢基复合材料生产新工艺一电冶熔铸 法来生产顺粒增强钢基复合材料，并已被授予发明专利权【”6 。该工岂是将粉 末冶金技术、冶金铸造技术和被称为当今冶金前沿技术巾的电渣熔铸工艺进行 相互结合而成的种新的生产工艺。利用该 叶艺生产出的颗粒增强钢基复合材 料具有以f 优点： ( 1 ) 颗粒增强钢基复合材料的孔隙小，无孔洞，组织致密性高，韧性好。 ( 2 ) 硬质相在基体中分布均匀，无碳化物桥接相存在和严重的碳化物偏析， 从而解决了粉末冶金工艺中液相烧结与固相烧结无法同时兼顾的致密化 与均匀化的难题。 ( 3 ) 该工艺利用增强颗粒在高温下的微熔，使之与高温金属液体之问产生相 互扩教、浸渗、熔融等反应，结合金属液体快速结晶技术，所生产的产 品中的硬质相与基体金属组织达到冶金结合，使得基体材料得到强化， 耐磨性得到很大提高，且产品具有高硬度、高强度及良好的韧性相配台 等优点。 ( 4 ) 该工艺在是生产过程中。其产品的外形尺寸不受工艺限制，可以根据实 际要求生产各种大型产品( 从几公斤到几十吨的产品) 和异型产品。 ( 5 ) 产品生产成本低，周期短，效率高。和粉末冶金工艺相比，生产成本可 以降低6 0 7 0 ，设备投资少适用范围广，适台于规模化工业生产。 ( 6 ) 可根据产品性能要求，添加各种成分的稀土元素及其食金，对产品进行 变质强化，以净化杂质、细化晶粒改变产品巾杂质的存在形态和分布， 提高产品的强度和致密度，改善产品的性能提高产品的质量。 1 5 金属基复合材料在摩擦磨损领域的应用 磨损是材料三种主要失效形式之一，它造成的经济损失是十分巨大的。 如美国1 9 8 1 年公布的数字，每年由于磨损造成的损失高达1 0 0 0 亿美元，其中 材料消耗约为2 0 0 亿美元，相当于材料年产量的7 。前苏联由于磨损造成的损 失，每年约为1 2 0 1 4 0 亿卢布。目前我国尚缺乏全面的统计数字但各方面的 报道表明，由于材料耐磨性较差，我囡大量基础零件的磨损寿命普遍大幅度低 于国外先进产品的水平，由此造成的商接问接经济损失也是十分惊人的。仅就 矿山、农机、煤炭、电力，建村五个部门的不完全统计，每年仅由于磨粒磨损 面需要补充的备件就达1 0 0 万吨钢材。近年来，我国各行业陆续进口了高达1 0 0 0 亿美元的机械设备，由于零件磨损，每年需要补充的备件约需数亿美元去购买， 这对我国也是个沉重的负担。由此可见，材料磨损问题的重要性是十分突出的， 它在围民经济发展中的占着举足轻重的地位【6 。”1 。 复合材料的耐磨性能和磨损机理尚无系统和深入的研究，缺乏摩擦学系 统资料。但是对于复合材料而言，摩擦磨损是必须的性能指标和选材依据之一， 在工业应用上也有广阔的前景，所以吸引了许多学者和企业进行了大量的研究， 获得了很多成果，并在工业上展开了应用【6 4 。89 1 。目前金属基复合材料主要应用 在航天航空领域的一些刚性构件、耐热耐磨部件等，在汽车工业等民用领域， 如汽车活塞、轴承、轴瓦上也有少量成功应用。图卜2 给出了世界各国在工业 匕利用复合材料的一些情况。 表1 2 ：复合材料的应用 t a b l e1 - 2 ：t h ea p p l i c a t i o no f c o m p o s i t e s 周家材料应用效果 原来的铸铁发动机活塞相比重量减轻 i ：；l 本 a 1 2 03 7 a i 复合捌料 发动机活塞了5 一1 0 导热性提高了4 倍左台 目前f ：_ ；| 本年产该活塞达几百万个 高速列车的刹 德国碳化硅颗粒增强铝使用效果很好，明显降低了车厢的重量 车部件 1 7 s i c p 2 1 2 4 复台材 美国导弹的尾翼减轻重量 料 取得了缩短刹车距离和减轻重量 中国碳化硅颗粒增强铝摩托车刹车箍的效果受雨淋后也不会象原铸铁刹车 箍那样因为生锈而降低刹车效率 美国s i c a i 复台剌料赛车刹车片缩短刹车距离和减轻重量的效果 轧钢机的辊环 中固w c 钢复台材料使用寿命增加 一 和矿山机械 目前世界上具有一定生产规模的金属基复合材料的生产厂家并不多，主 要有美国和日本的d w a 复合材料专业公司，a c m c 先进复合材料公司，t m t 公司等。随着人们对颗粒增强金属基复合材料研究的不断深入，颗粒增强金属 基复合材料将从军用转向民用，从高技术构件转向普通构件，从单功能材料转向 多功能材料，而且会在一些特色领域获得广泛应用。 减少磨损的途径很多，一方面，在现有的材料( 机械零件) 条件下，通 过优化机件结构设计，选择合理的工作条件，增进操作人员的劳动技能等措施， 可以提高零件的使用寿命，降低磨损，但是这种途径的发展潜力有限，上升的 空间不大；另方面就是大力提高材料的耐磨性，这一途径是对提高零件经受 磨损的使用寿命是最有效且最直接的方法，也是我们今后努力减少磨损的研究 方向。随着近代工业的发展，材料科学的理论和实践有了迅速的进步。特别是 9 近几十年来，开发耐磨材料已经成为提高零件耐磨性的经济而有效的手段，其 中金属基刑磨材料是其中应用最广泛的一类。 近年来，为适应工业化规模生产的需要，人们在不断研究开发新技术新工 艺提高材料性能、降低颗粒增强金属基复合材料的生产成本的同时，也在考虑颗 粒增强金属基复合材料的再生和回收问题。目前颗粒增强金属基复合材料的用 量还不大，问题还不突出，但从长远考虑，这一问题是不可回避的。粉末冶金技术 制备的金属基复合材料的再生和回收很难进行，这方面的研究也很少。电冶熔 铸技术则可以利用回收废旧粉末冶金制品作原料，低成本、短周期地生产大体 积。r ：件，且工件性能优良。这既解决了废品的处理问题，又充分地利用了资源， 加之设备简单、工艺简化、适于工业化规模生产，因此具有良好的经济效益和 应用前景，是一项具有很大发展潜力的耐磨材料的制备技术。 1 6 本课题研究的主要内容及意义 本课题来源于安徽省教育厅重点资助项目一种新型w c 钢复合材料的研 究( 项目编号：2 0 0 3 k j 0 1 6 z b ) 的部分内容。 电渣冶金具有一系列的优越性，如金属性能的优异性( 包括纯净度高、组 织致密、成分均匀、表面光洁) ，经济的合理性( 设备简单、操作方便、生产费 用低于真空电弧重熔、金属成材率高) 以及工艺的稳定性和可控性，受到世界 主要工业国家的重视，发展十分迅速。将其用于颗粒增强金属基复合材料的制 备，是十分有前途的。但电冶工艺目前主要集中在各种钢的生产中，很少见于 复合材料的制备。钢铁是机械等行业中应用最广泛的结构材料，在今后相当一 段时间内，钢铁在现代工业中仍将占有重要地位。但是，现代科学技术的发展 对钢铁材料提出了更高的要求，普通单一的钢铁材料越来越难以满足实际需要， 一钢基复合材料的研究就逐渐发展起来。 我们将现有的电冶的工艺方法加以改进后提出电冶熔铸的新工艺，它是一 种新型的材料制备技术，其材料成型方式相当独特和新颖，因此本课题对材 料组织形成过程和形成机理的研究将有助于材料复合理论的进一步深化，具有 较高的学术价值。同时这种新型材料的研制成功及推广使用，必将大大改善耐 磨材料某些领域的状况，具有较高的社会经济效益，这种新型的成型工艺的研 制成功，也将为钢基复合材料的制备提供一条新的道路。本课题的另外一个重 要意义是将在轴承行业上的大量废弃g c r l5 钢及模具行业上废弃的昂贵的钢结 硬质合金回收再利用。总之，本课题的选择无论是在学术价值方面或是在工程 应用方面，还是在技术经济的领域都具有重大的意义。 本课题的主要内容： ( 1 ) 采用电冶熔铸的新工艺制各了w c n 复合材料、s i c n 复合材料和 t i c 钢复合材料，以g c r l 5 轴承钢为基体材料。 以w c f 月复合材料为主，分析了其显微组织和冶金质量，通过调 节增强颗粒的百分含量和尺寸大小来分析界面反应对材料性能的 影响，采用了热处理、锻造等工艺优化复合材料的组织形态。 对复合材料进行热处理，重点分析了w c 钢复合材料在重载下的 摩擦磨损性能，分析了其磨损机理和影响磨损的因素，希望能够 借此取得比基体材料( g c r l5 ) 高得多的耐磨性，在工业上得到推 广使用。 初步探索了s i c 和t i c 颗粒增强钢基复合材料的制各、显微组织 及其磨损性能，为以后的研究工作打下了一定的基础。 探索了增强颗粒对磨损性能的影响，包括颗粒种类、颗粒含量、 颗粒尺寸和颗粒间距。 w c 钢复合材料已经在徐州某轧辊厂投入应用，所生产含2 0 w c 的模具 材料用于制造冷轧带肋钢筋轧辊，产品经机械加工和热处理后，装机使用，其 一次性轧制寿命达到2 0 0 多吨，比原来所用的g c r l 5 钢轧辊寿命提高了5 - 6 倍， 近期即将在高速线材导卫轮和冷拉型模具及其它各种大、中型模具和轧辊上应 用，预计将获得较高的使用寿命。 ) ) ) ) 2 3 4 5 ( ( ( ( 第二章试验原材料、内容及方法 2 1 试验原材料的选择 2 1 1 基体材料的选择 基体材料的选择原则主要有以下几个方面：( 1 ) 选材方便，成本较低；( 2 ) 具有良好的综合机械性能，并且可以通过热处理方式改善其机械性能；( 3 ) 基 体与增强相颗粒的润湿性比较好：( 4 ) 基体与增强相的熔点应有相当大的差异。 本试验采用的基体材料为采用g c r l5 轴承钢。g c r l5 是目前国内常用的也 是消耗量最大的一种“c r ”系列的轴承钢，其成本低，钢含有铬元素，钢的淬 透性和奥氏体稳定性好，具有较高的硬度，并可使钢中的碳化物呈均匀而细密 的分布而使其耐磨，淬火加回火后的组织是极细的回火马氏体和分布均匀的细 粒状渗碳体及少量的残余奥氏体，它的缺点是在与金属配成摩擦副的时候，在 高温下工作表面易发生粘着磨损，由于局部温度过高或回火时消除应力不充分， 回火马氏体针较粗大，容易出现应力腐蚀和点蚀。表2 1 和2 2 是g c r l5 的一 些性能参数。 表2 1 ：轴承钢g c r l 5 的力学性能( 热处理后) t a b l e2 - 1 ：t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f g c r l 5 密度硬度弹性摸量届服强度断裂极限 ( g c m 3 ) ( h r c )( 0 p a )( m p a )【m p a ) 785 5 6 02 0 03 4 0 6 3 0 表2 - 2 ：轴承钢g c r l 5 的化学成分 t a b l e2 - 2 ：t h ec o m p o s i t i o no f g c r l 5 钢号cs im ncrm on if e g cr l509 5 一l0 5015 03 50 2 0 04 0 l3 0 16 5( 03 0( 03 0其余 2 1 2 增强颗粒的选择 增强相我们选择市售的w c 颗粒，s i c 颗粒和t i c 颗粒，这三种都是常用 的金属基复合材料的增强颗粒。 ( 1 ) 碳化钨：采用北京硬质材料厂生产的碳化钨，该碳化钨为不规则形状的 六方系碳化钨，其化学成分见表2 3 。表2 3 是铁、碳化钨主要性能参数 的比较。 表2 - 3 ：工业碳化钨的杂质含量( w t ) t a b l e2 - 3 ：t h ec o m p o s i t i o no f w c 主含量总碳氧含量钴含量 游离碳氧化残渣 竹c 9 97 510 0 0 5 0 0 8 o0 5 00 8 o 1 8 表2 4 ：铁、碳化钨主要性能参数的比较 t a b l e2 - 4 ：t h ec o m p a r i s o no f p h y s i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e nf ea n dw c 特征 单位w c f 8 线膨胀系数 1 0 “5 2 14 6 4 晶体结构 简单六方体心立方 弹性模量 m p a 1 0 。6 9 5 8 2 l 热导w m k 1 9 4 6 3 密度g c m 3 15 77 8 熔点 2 7 8 01 3 9 4 ( 2 ) 碳化硅：采用北京硬质材料厂生产的碳化硅，该碳化硅为不规则形状的 六方系a 碳化硅。表2 5 和表2 - 6 是碳化硅的一些性能参数。 表2 - 5 ：铁、碳化硅主要性能参数的比较 t a b l e2 - 5 ：t h ec o m p a r i s o no f p h y s i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e nf ea n ds i c 特征单位s i c ( 室温) f e 相结构 晶体结构六方品系体心立方 密度 g c m 3 31578 热膨胀系数 10 - 6 c481 46 4 热导w ，m k