颗粒增强灰铸铁基表层复合材料的制备及性能研究

摘要

磨损是金属材料失效的主要形式之一，磨损不仅造成了巨大的经济损失，更带来了重大的安全隐患。灰铸铁因其成本低廉，铸造性、加工性、减震性优异而被广泛应用，但其耐磨性较差。因此，提高灰铸铁耐磨性具有显著的经济与社会效益。磨损通常发生在金属工件表面位置，因而提高金属材料表面耐磨性，是一种延长金属工件的服役时间的有效方法。表面合金化和陶瓷颗粒增强都是有效提高金属材料耐磨性的技术手段。
　　本研究通过在陶瓷增强颗粒表面烧结Ni层，在预制体中添加石蜡作为造孔剂、高碳铬铁粉为合金粉末制备多孔预制体，通过常压铸渗法在灰铸铁表面同时实现颗粒增强和表面合金化效果。系统研究了Al2O3含量对Al2O3增强ZrO2（ATZ）陶瓷颗粒性能的影响及机理，优选出氧化铝最佳的添加量。通过XRD、SEM、EDS等分析测试手段，探讨所制备的复合材料的显微组织与物相组成。通过磨损试验，研究复合材料的磨损行为和磨损机理。得到以下主要结论：
　　(1)当Al2O3含量从0 vol％增加至20 vol%时，ATZ陶瓷的维氏硬度变化不大，抗弯强度则增加了约15.8%；当Al2O3含量进一步增加至50 vol%时，ATZ陶瓷的维氏硬度逐渐降低，降低约29.4%，抗弯强度变化不大；断裂韧性则一直随Al2O3含量的增加而增加，增加约32.7%；
　　(2) Al2O3的添加会阻碍ATZ陶瓷的致密化过程，降低ATZ陶瓷的致密度，使维氏硬度降低；Al2O3颗粒的弥散强化使ATZ陶瓷抗弯强度增加，孔隙增加又会降低ATZ陶瓷抗弯强度。当Al2O3含量超过20 vol%时，Al2O3颗粒的弥散强化和孔隙的减弱效果共同决定ATZ陶瓷的抗弯强度；颗粒增韧和相变增韧都能提高ATZ陶瓷颗粒断裂韧性，当Al2O3含量大于20 vol%时，相变增韧占主导作用。Al2O3与ZrO2之间热膨胀系数不匹配引起的残余热应力，使得t-ZrO2由压应力状态转变为拉应力状态，t-ZrO2稳定性降低、相变能力增强；
　　(3)综合考虑陶瓷的维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性，确定Al2O3添加量为20 vol%，ATZ陶瓷颗粒密度：5.55~5.61 g/cm3、断裂韧性：5.9~6.2 MPa?m1/2、抗弯强度：600~670 MPa、维氏硬度：1250~1280 HV30；
　　(4)本研究通过常压铸渗法在灰铸铁表面同时实现陶瓷颗粒增强和表面合金化效果，所获得的ATZ陶瓷颗粒增强灰铸铁基表层复合材料的陶瓷增强颗粒分布均匀且与预制体的形状基本一致，说明所制备的多孔预制体强度能够满足常压铸渗的要求；高碳铬铁粉的添加将会使灰铸铁表面白口化，复合材料的物相组成为：ATZ陶瓷颗粒、α-Fe、γ-Fe、珠光体、莱氏体、石墨、M7C3和M3C；
　　(5) ATZ陶瓷颗粒增强灰铸铁基表层复合材料的磨损率呈现先降低后趋于稳定的变化趋势，复合材料的耐磨性约是灰铸铁基体的3.7倍。ATZ陶瓷颗粒增强灰铸铁基表层复合材料磨损性能提高的机理是：1. ATZ陶瓷颗粒和硬质碳化物在磨损过程中逐渐“凸起”，从而保护周围的金属基体，即“阴影效应”；2.添加高碳铬铁粉使灰铸铁表面合金化，提高了灰铸铁表面硬度，降低磨粒对金属基体的切削作用。