液相合成VC颗粒增强钢基表面复合材料研究

液相合成液相合成VCVC颗粒增强钢基表面复合材料研究颗粒增强钢基表面复合材料研究 第23卷第4期l999年8月 l材M echaf Ica Vo1 23N O 4A ug 1999液相合成VC颗粒增强钢基表面复合材料研究丁B35 王一三 张欣苑 李凤春曾广廷 口川联合大学金属材料系日川成都610065 奸 摘要利用液相台成技术 通过铸造在钢件上彤成一层34mm厚 以V C颗粒增强的表面复合材料 组织结构和微区成分分析表明 在该表面复台材料的马氏体基体上 均匀分布细小球状VC颗粒和条块状 Fe Cr C由表及里 其合叠元 素浓度及VC的数量均呈梯度分布 在重载干滑动磨损条件下 含有自润滑石墨相的该表面复台材料具 有很好的耐磨性 主题词逛塑丝金属墨 显擞组织生i 圭L I彳阀币fn Studyon theVC Steel BaseSurface CompositeProduced byLiquid SynthesisW angYisan ZhangXinyuan Sichuan UnionUniversity LiFengchun ZengGuangting ChengduSichuan610065PRC Abstract Usinga liquidsynthesis technique during casting a VC steel basesurface posite with thicknessof3 4r am Was formed or cast stee1 The resultSof theanalysis ofmicrostructures andm icro COn stituentsindicate thatsmall spheroidalVC particlesand Fe Cr C3with amorphology ofst ripchunky aredis tributed onthe martensitematrix ofthe surface positet andfrom outsideto insidet thealloy elementsand VCparticles takeon gradientdistribution On thecondition ofdry slippingwith aheavy load the surface positet consistingof graphite possesses greatvcea卜resistance 1引言颗粒增强轻金属基复合材料是当前 材料研究的热点之一 部分产品已商品化但是难以满足在高温 高 速 重载 高磨损等工况条件下的性能要求 于是铁基复合材料便 应运而生 近年来 国内外学者对液相合成铁基复合材料表现出较大兴趣 该项技术的要点是利用铁台金熔体的高温 使熔体中的合金元素之 间或台金元素与化合物之间发生化学反应 生成一种或几种高强度 高弹性模量的陶瓷颗粒 如TiC WC Cr C VC等 并调整工艺参数来控制陶瓷颗粒的数量和分布 获得所需 要的颗粒增强铁基复合材料 与传统的外加颗粒增强法相比 该工艺具有增强相与母体合金的界 面纯净 无吸附气体和氧化膜 两者的相容性好 结合牢固 增强 颗粒尺寸细小 一般 3p m 颗粒在基体中均匀分布 工艺简单 成本低等优点 国外学者如Terry Chrysan thou和Raghunath口等在铸铁溶液中加钛 使之与碳化台 原位生成 了Fe TiC复合材料 国内学者如惠希东等用液态反应合成法制备了TiC颗粒增强Fe一28Cr 一12Ni复合材料 朱正吼等用型内悬浮法制备了TiC颗粒增强钢基复 台材料 关于VC增 男54岁副教授工学颐士1998 08 04收到初稿1998 10 19收到修改犒强铁基复合材料 还很少有人研究 至今只报道了Bee ley及其台作者通过先后加入或同时加入Nb和v到钢液中 反应生成N bC和VC颗粒增强铁基复合材料迄今为止 他们研究的都是整体复合 材料 实际上 在许多情况下 零件是从表面开始失效的 性能要求也是 对表面层而言的 因此只要材料表面层被增强 就能满足各种性能 要求据此我们提出了液相合成VC颗粒增强钢基表面复合材料的设想 即利用高温钢水 熔化或溶解铸型壁上的含有V和C的特殊涂覆材 料 使之发生高温液态反应 在铸钢件表面生成一定厚度 以VC颗 粒增强的复合材料层2试验方法2 1组织设计VC颗粒增强钢基表面复 合材料主要用于重载 高速 干滑动摩擦或高温高速摩擦的恶劣环 境 为防止严重的粘着磨损 材料的组织中应含有自润滑石墨相 文献E6 指出 高强度及高硬度的基体组织有利于耐磨性能的提高 故基体组织应以马氏体为主为使其在高应力磨粒瞎损条件下不发生 严重犁削磨损 其组织中应有高硬度的增强相 在碳化物陶瓷中 VC的硬度最高 并且有很好的热稳定性 是一种 理想的硬质增强相 而 fe cr c型碳化物的硬度也较高 13001800hv t它本身的韧性好 钉一一 g1i等浊十 成vc颗粒增强银j 丧 hi复台材料研究强 度高 孤的拭或板状形态 坩金属基l f车 拟害作辟 较小 也是较好的硬质钼 此我们设计的新型表面 复合材料的组织持马氏体基体组织基体上均匀分布大量细小vc颗粒 和 fe cr 型碳化物 并舍有少量自润滑石墨相2 2涂覆材料 成分设计涂覆材料的成分设计至关重要 浇注时 它与高温钢水反 应 在表面层中析出vc颗粒及 fe cr c型碳化物 同时应使表面层钢液合金化 凝固冷却后获得强韧的马氏体基体 因此 涂覆材料中除了含有相当数量的V和c 还含有cr和 i 此外 为了在表面层中析出石墨相 必须部分中和 r和v的反石 墨化作用考虑到s是非常有效的促进石墨化元素 si的瞬时孕育作用 使高cr铁台金中也能生成点状或颗粒状石墨 所以涂覆材料中应含 青相当数量的si 基于以上认识 选择涂覆材料的成分见表l其中 合金元素都合金粉 的形式加八 粒度l00 一200目在高能球磨机中 将准确称量的各种合金粉混合均匀即得到 所需的涂覆材料表1涂覆材料成分 Cr 壁10 0908 53 8余量6水域璃调战状涂4涛型侧建3okg顷感应炉中 熔炼45锕 浇入经200 6h预热的铸 浇注儡度超过16SO 以利 于V的牛啦试件凝冷却后用砂轮切割机切取金相试佯 用SEM观察组 织形貌 用电子探针能谱仪分析表面层由表及犟成分的变化 用x射 线衍射仪和电子探针波谱仪分析试样亚表层的物相结构 利用MM200 型膳损试验机进行干滑动摩擦磨损试验 表面复台材料用线切割加工成1Omt tt 1Omnt 17mm的试块 对磨环采用淬火态的OCrl5轴承钢 其硬 度为55HRC对磨环转速为400r r ain 磨损行程2000m 选用载荷分别为196N和392N 材料磨损情况用磨损体积来衡量利用工具显微镜测出瞎痕的宽度按 下式计算磨损体积 V r am AV B l 2S n 一告 r竽式中B一对磨环厚度 Inrtt b 磨痕宽度 r13FIt r对磨环外圆半径 illm 3试验结果与分析3 1组织特征试样亚表层 离外表面约0 51 0 tn 1 的显微组织见图la 可见在基体上均匀分布直径为0 52 3试验 步骤2 Lnl的大量球状白色颗粒 能谱面扫描 图1b c 说涂覆渗剂 中加入3硼砂作熔剂 混均后加入明这些细小颗粒是v的碳化物 表面复台层 其台豳豳一 a 皿表屠SEM形貌 b V的面扫描图1表面复 合材料的显微组织400 金元素由表及里的浓度分布见图2 显示逐 渐减少瑷慢过渡到母体材料的水平与之对应 V的碳化物的数量也随 离外表面距离的增加逐渐减少 图3 此外由图3b c清晰可见 除了白色颗粒状V的碳化物 基体上还分 布着浅灰色条块状cr的碳化物图4则表明 表面复合材料中还存在少 量石墨XRD检测结果 图5 证实 谊表面复合材料由VC Fe Cr C 和马氏体基体组成以上检测结果说明 试样表层组织已具备我们所 设计的vc颗粒增强钢基表面复合材料的组织特征同2表面复台材料层 台食兀翥的分等11 ill台戚 嗣牲增强锕基表面复台材料研究豳 豳圜 a 离外表面0 5r amfb 离外表面0 9r am c 离外表2smm罔3丧lri复台材料中vc的分布1000 x罔4表面复台材 料l 石墨相的存在300 衍射角 度图5表面复台材料在xrd潜线 图表2表面复合材料与淬火45钢的磨损体积比较3 2硬度和耐磨性该 表面复合材料的铸态硬度为57hrc 它与对比材料淬出45钢在重载干 滑动摩擦条件下的磨损体积比较见表2 可见在196n载荷下其耐磨性 是淬火4j钢的2 3倍 在392n载荷f其耐磨性是淬火4钢的7 5倍 v c颗粒增强钢基表面复台材料显示了良好的耐磨性显然表面复合材料 中所含的石墨相 作为固体润滑剂有效地防止 r严重牯着磨损 同时 在马氏体基体上弥散分布的高硬度VC颗粒和 Fe Cr C可承受 载荷 保护基体组织 抵抗磨粒磨损 4应用前景在中低碳钢铸件表 面原位生成一 定厚度的VC颗粒增强钢基表面复合材料 使铸件本体保持了较高的 韧性 又使铸件表面具有较高的硬度和良好的耐磨性可用于大型球 磨机衬板 各种冷热挤压模具 轧钢机的托轮 导位板 喂料咀 无心睹垫块等承受较大I中击载荷的冶金 建材 电力等行业的耐磨 零件 有着广泛的应用前景5结论 1 利用液相合成技术在钢件表面上原位生成一层厚度为3 4mm以VC颗粒增强的钢基表面复合材料 其组织特征在马氏体基体上 均匀分布粒度为0 52m的球状VC颗粒 条块状 Fe Cr C和少量石墨 2 复合材料由表及里 合金元素的浓度分布及VC颗粒数都逐渐减少 缓慢过渡到母体合金的水平 表层与基本结合牢固 3 在重载干滑动磨擦磨损条件下 该表面复合材料具有良好的耐磨 性 应用前景广泛参考文献i terryb s chinvamakobvu os 1i1s ctuproduction offe tic positesby reactionsin liquidiron alloys j m atersci iett 1991 10628 6292 hrysanthou a davies nw l lj e ral reactionsyn thes lsof carbidereinforced cat toil j mater sc 1iett 199615473j74 下转第54页 第23卷 第4能1999年8月机械l程材料m aterimsfor mechanical engineeringv0l 13no 4aug 1999 上接第l3页 4武小雷 等钢中 氏体预相变过程的研究 金属热处理学报 1994 15 3 12j徐祖耀 刘世楷贝氏体相变和皿氏体北京科学出版社 1991 6Li C W angJ I Effect ofpre quenchingon martensitehainitic microstruetureand mechanicalproperties ofGCrl5bearing stee1 J M ater Sei 1993 282n37刘永铨 钢的热处理 北京冶金工业出版 社 1987 I 接第25页 18赵军 荣启光 机械合金化制备非晶态合金的研究动同 金属材料研究 993 19 3 293519W eckerA W Baket H Am orphizationby balim illing A RevierPhysica B 1988 153 13 93 3520Fecht HJ H uanG Fu Z M etastablephase formationln Zr A1binary systeminduced by mechanical alloyng J App1 Phys 1991 68 4 174417482l GarretE Abdellaoui M M alhouroux Gaffet N For irilationof an0strucfura mzterials inducedbymecbani calprocessing Mater Trans JIM 1995 36 2 198 209 I 接第27页 高温保温后的室温硬度 高 室 温拉伸性能以及高温持久 强度等均高于Stellite6B k 合金 2 PGH668合金具有良好的加工塑性 可在室温下反复弯曲 因而能 进行冷成形 PGH668合金焊接性能也优于Stellite6B k 合金 3 PGH668合金可根据零件的工作环境 温度 应力等 生产具有不同 强度及硬度的材料 4 性能测试结果表明 PGH668完全可以代替Stellite6B合金翩作汽 轮机叶片的耐磨护片 且性能价格比较优越 上接帚3O贞 中 弥散于涂层中的韧性金属相起着附加吸收能量的 作用 从而使裂纹尖端区的应力集中得以部分松弛 提高了涂层对裂纹扩展的抗力 即改善了涂层的抗热冲击性 5结论 1 涂层热震失效的本质为循环应力作用下的疲劳失效 其过程包括 裂纹形成 扩展及最终剥落 2 采用多层过渡复合涂层可有效地缓和涂层内热应力 并且阻碍裂 纹的形成和扩展 从而明显改善涂层的抗热冲击性 3 采用多层过渡复合涂层可提高在热冲击状态下耐磨构件的使用寿 命 参考文献1新野正之 倾斜机能材料凳想匕开凳动向 工业材料 19 90 38 12 18352王弓 真 等 功能梯度材料的研究动态 机械工程材料 1997 21 4 3373Miller RA et a1 Failure mechanismsof thermalbarri er coatingsexposed toetevated temperatures Thin SolidFi lms l982 952502734Zheng Qingxing et a1 On theexpressions offatigue lifeof ceramicwith givensurvivability Eng