铸渗过程粒度对碳化硅钢基表面复合材料的影响

1、铸渗过程粒度对碳化硅钢基表面复合材料的影响 吕振林1 ,张玉萍1 ,(1.西安理工大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710048；2. 西安建筑科技大学冶金学院，陕西 西安 710055) 摘要：采用负压铸渗的方法，以Q235钢为母材制备碳化硅颗粒增强钢基表面复合材料。研究碳化硅粒度对复合效果的影响。通过试验与分析表明碳化硅的粒度对碳化硅钢基表面复合材料的复合质量有很大的影响，且碳化硅粒度在350850 m时可在钢表面形成结合良好的复合层。 关键词：铸渗；表面复合材料；碳化硅粒度 机械零部件的失效，约有75%-80%是由磨损造成的1。随着现代工业的快速发展，迫切需要能在高温、高速、冲蚀磨损条

2、件下具有更加优异的综合性能的新材料。近几年发展起来的颗粒增强金属基复合材料由于其既保持了金属热稳定性和延展性好的优点，同时又具有陶瓷颗粒的耐腐蚀、抗高温氧化和耐磨损等特点而备受瞩目。 铸渗法是近年来发展起来的一种制造金属基表层复合材料的新技术2-5。其基本原理是将合金粉末或陶瓷颗粒等预先固定在铸型的特定位置，在液态金属浇注过程中，其与液态金属作用在铸件表面形成具有特殊组织和性能的一种材料表面复合技术 6。通过选择合适的表面耐磨层与母材相匹配，可获得既耐磨又能承受冲击的综合性能材料，该方法最适合表面要求耐磨损但又不需要表面加工或机加工精度要求较低的材料的表面强化 7-8。因此在钢表面复合SiC粒

3、子，将钢的良好的强度和韧性与碳化硅优良的耐磨性结合，充分发挥它们各自的性能特点，在磨损和腐蚀领域可极大提高耐磨件的使用寿命，从而带来显著的经济效益和社会效益。因此本文采用负压铸渗工艺制备SiC颗粒增强钢基表面复合材料，研究SiC颗粒度对其复合效果的影响。 1 试验方法 采用负压铸渗制备SiC/钢基表面复合材料，以Q235钢为母材，不同碳化硅粒度为颗粒增强相，分别与2%的粘结剂（粘土）、2%的添加剂（氟化钠和硼酸）等混合均匀制成预制块体。然后将其涂覆在泡沫塑料板，并干燥。20kg中频感应电炉熔化钢水，模型放入砂型，震实，负压抽真空后浇注，并保持一定的铸渗时间。钢液浇铸温度为1550。 待试样完冷

4、却到室温后，进行表面清理，切割打磨，制备金相试样。然后在XJL-03型光学显微镜下观察试样表面复合情况，在JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜及其配备的能谱仪上进行组织观察和微区成分分析。 2 试验结果与分析 2.1 碳化硅粒度对铸渗效果的影响 SiC粒度对复合效果的影响如表1所示。表明碳化硅粒度对SiC/钢表面复合质量有很大的影响。碳化硅粒度在600 850m时可以形成结合良好的复合层，而较小粒度的碳化硅则难以形成结合较好的复合层。 表1 碳化硅粒度对铸渗层的影响 试样编号 SiC粒度/m 铸渗效果 1 80 没有复合层，只有过渡层 2 160 没有复合层，只有过渡层 3 240 存在少

5、量SiC粒子，复合层脱落严重 4 350 存在少量SiC粒子，形成复合层 5 600 存在大量SiC粒子，形成复合层 6 850 存在大量SiC粒子，形成复合层 图1 钢表面复合层的形貌 图2 SiC/钢表面复合层宏观结构 图3 80m SiC粒子铸渗后的复合层组织 图4 80m SiC粒子铸渗后钢的表层组织 图1是采用粒度为850m的碳化硅粒子制备的SiC/钢表面复合材料在扫描电镜下的组织，可看出碳化硅粒子很好的镶嵌在钢的基体中，并且分布较为均匀，在钢表面形成碳化硅复合层宏观照片如图2所示。该复合层由SiC粒子复合层、过渡区和钢基体组成，而且碳化硅粒子较大，数量较多，排列比较紧密。 当碳化硅

6、粒度为80240m时，铸渗过程中碳化硅粒子在高温下几乎完全分解，因而只存在过渡层，没有形成复合层如图3和图4所示。分解后的碳化硅在钢表面产生大量的石墨，这是由于SiC粒子的分解使其周围的钢液中富集大量的碳，在钢液凝固时，过量的碳以石墨形式析出，如图5所示。此外，SiC分解的碳还由其附近向液态钢水内部扩散，形成由表面向钢基体内部的碳的浓度梯度，由此形成了SiC粒子复合层与钢基体间的过渡区。过渡区的组织主要由钢基体和石墨组成如图6所示。复合层和过渡区厚度与SiC粒度关系如图7所示，表明随着SiC粒子尺寸减小，过渡区增大，复合层厚度减小；SiC粒度低于350m后复合层消失。 图5 碳化硅粒子周围的片

7、状石墨 图 6 SiC/钢表面复合的过渡层 图7 复合层和过渡区厚度与SiC粒度关系 2.2 复合层组织分析 制备的SiC颗粒增强钢基表面复合材料的复合层主要组织为SiC粒子钢基体石墨，如图5所示。钢基体主要为铁素体，然而在一定条件下也可以获得珠光体组织，如图8所示。珠光体的形成是因为SiC粒子在高温钢液的作用下分解为碳和硅，即： SiC Si + C 尽管碳与硅均为石墨化元素，但在局部条件满足渗碳体析出时，则局部的奥氏体发生共析转变，生成渗碳体和铁素体交替排列的珠光体 图8 复合层珠光体组织 组织。 为确定复合层的成分分布，作者还对复合层中的SiC粒子与基体界面进行能谱线扫描测定，结果如图9

8、所示。由图可以看出，在整个SiC粒子及其周围复合区域的碳元素含量较为平均，由此可知SiC粒子存在部分分解。图9(c)为Si元素的分布，SiC粒子周围存在着一定量的Si元素，但Si元素含量不高，这说明SiC粒子虽然存在一些分解，但分解的量不多，这也说明，在SiC涂层中所添加的成 (c) 硅分布 (b) 碳分布 (a) 能谱分析示意图 (d) 铁分布 (e) 铁、硅、氧、碳分布 图9 能谱分析结果 分有效地抑制了SiC粒子的分解；图(d)为铁元素的分布，SiC粒子周围铁元素含量很高，说明钢水充分地与SiC粒子接触，取得了良好的复合效果。 2.3 SiC粒度对复合层的影响因素 表面复合层的形成，一方

9、面是型腔中金属母液本体把过热热量和结晶潜热传输到颗粒增强预置块，使SiC颗粒熔化；另一方面是利用铸渗动力，特别是负压作用下促使母液向预置块浸透，进行热量传递和物质传输过程，并利用高温使SiC表面局部溶解于钢液形成良好冶金结合，铸渗动力和SiC颗粒的级配对复合层的形成起至关重要的影响。 当碳化硅颗粒较小时，预制块中的孔隙尺寸也相应较小，钢液浸渗阻力较大，导致金属液很难渗到预置体内，因此钢液渗透深度较小，造成复合层表面脱落。此外，SiC粒子与钢基体的热膨胀系数相差较大，也可能是引起表面复合层脱落的原因。在固定其它参数情况下，可通过控制制备预制块压力大小来控制增强颗粒的毛细管大小，可对铸渗过程中的铸

10、渗动力进行合理分配。 3. 结论 (1) 以Q235钢为基体，2%的粘土作为SiC预制膏块的粘结剂和2%氟化钠2%硼酸作添加剂，在1550铸渗碳化硅粒子，可在铸钢件表面形成结合良好铸渗效果，铸渗层存在明显的复合层、过渡区和基体区。 (2) 碳化硅粒子的粒度为20目30目时采用消失模铸渗法制备钢基表面复合材料，既保证了钢液的浸渗，又能防止SiC粒子的完全分解。 (3) 采用负压铸渗方法可以在钢表面形成表面平整、SiC颗粒分布均匀、界面结合状况良好的SiC复合层。 参考文献： 1 张剑锋，周志芳. 摩擦磨损与抗磨技术M. 天津：天津科技翻译出版公司，1993. 2 Hans berns. Brig

11、it Wewers. Development of an Abrasion Resistant Steel Composite with In-situ TiC ParticlesJ.Wear,2001(251)：1386-1395 . 3 李祖来，蒋业华，周荣V-EPC制备铁基表面复合材料的表面质量和组织特种铸造及有色合金，2005,25(1)：22. 4 Tosun, Gl; Muratoglu, Mehtap. The drilling of an Al/SiCp metal-matrix composites. Part I: microstructure. Composites Sc

12、ience and Technology, 2004，64(2): 299-308. 5 Ugandhar, S.; Gupta, M.; Sinha, S.K. Enhancing strength and ductility of Mg/SiC composites using recrystallization heat treatment. Composite Structures, 2006, 72(2):266-272 . 6 孙永立，龚正春，关国军，陆慧林. 陶瓷颗粒增强镍合金复合涂层冲蚀磨损的试验研究J. 复合材料学报，2003，20(5):1621 7 S.W. Huanga

13、, M. Samandi, M. Brandt. Abrasive wear performance and microstructure of laser clad WC/Ni layers. Wear, 2004, 256:10951105 8 袁中岳，张忠明，李朝升，等.消失模铸渗法制备复合材料的研究J.功能材料，2002，33(6)：684-686. Influence of SiC Particle Sizes on Preparation of SiC Particles Reinforced Steel Matrix Surface Composite Material ZHOU

14、 Yong-xin1,2 , LV Zhen-lin1, ZHANG Yu-ping1, XING Zhi-guo1 (1. School of Materials Science and Engineering, Xian University of Technology, Xian 710048, China；2. School of Metallurgy Engineering, Xian University of Architecture and Technology, Xian 710055,China) Abstract: The SiC particle reinforced

15、steel matrix surface composite material was prepared by EPC (Expandable pattern casting) penetration processing. The influence of SiC particle sizes on composite qualities was researched. The test and analysis results showed that the sizes of SiC particles were affected by the quality of SiC particle reinforced steel matrix surface composite. The appropriate particles sizes of SiC