分享：鐵包覆氧化鋯增韌氧化鋁顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的沖擊性能

0.   引言

高鉻鑄鐵基復(fù)合材料主要用于制造破碎機(jī)錘頭等服役于高沖擊載荷工況下的工件,其沖擊韌性是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。向金屬材料中添加氧化鋯增韌氧化鋁顆粒（ZTAp）可以大大提升材料的耐磨料磨損性和沖擊韌性,這得益于ZTAp具有較高的硬度和強(qiáng)度,在金屬基體中均勻分布時(shí),能夠顯著提高整體硬度和強(qiáng)度[1-13]。ZTAp增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的沖擊性能和基體與顆粒間的界面結(jié)合性能緊密相關(guān),界面結(jié)合性能越好,沖擊韌性越強(qiáng)[14]。 

已有研究表明,通過(guò)固滴法[15]、化學(xué)鍍和真空燒結(jié)[16-17]等方法將鈦、鎳、錳和鉬等包覆或沉積在ZTAp表面,可以改善ZTAp顆粒與鐵基金屬的潤(rùn)濕性,提高界面結(jié)合性能,從而增強(qiáng)復(fù)合材料的沖擊韌性。但上述工藝復(fù)雜,成本高,不利于批量生產(chǎn)。價(jià)格低廉的還原鐵粉作為界面潤(rùn)濕劑包覆在ZTAp表面可以提高其與高錳鋼間的鑄滲效果,形成緊密結(jié)合的界面[18]。基于此,作者采用易于批量生產(chǎn)的鑄滲工藝制備了鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料,研究了該復(fù)合材料的微觀形貌、微區(qū)成分和沖擊性能,以期為改善顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的界面結(jié)合性能,提高其沖擊韌性,降低其生產(chǎn)成本提供參考。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

復(fù)合材料中的基體材料為高鉻鑄鐵,化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為4.215C,0.322Si,0.743Mn,14.755Cr,0.026P,0.010S,余Fe；增強(qiáng)相材料為形狀不規(guī)則、粒徑在1.5~2.5 mm的ZTAp,純度為99.9%,由湖南精城特種陶瓷有限公司提供,密度為3.5 g·cm−3；黏結(jié)劑為鈉水玻璃（Na2O·SiO2）,純度為99.9%,由桐鄉(xiāng)市恒立化工股份有限公司提供；界面活性劑為呈不規(guī)則片層狀（見(jiàn)圖1）、粒徑在0.048~0.106 mm的鐵粉,純度為99.9%,由清河縣拓普金屬材料有限公司提供。 

圖  1  鐵粉的微觀形貌

Figure  1.  Micromorphology of iron powder

將9 g鐵粉,1.9 mL Na2O·SiO2和7 g ZTAP充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?填充至金屬模具中,采用DY-20T型粉末壓片機(jī)在12 MPa壓力下壓制成9 mm×9 mm×55 mm的預(yù)制體,室溫自然干燥12 h。采用消失模鑄造法制備復(fù)合材料,將預(yù)制體嵌入聚苯乙烯泡沫消失模中心位置,組裝模型得到模型簇,表面刷涂水基耐火涂料,200 ℃干燥后,將高鉻鑄鐵重熔為鐵液并進(jìn)行澆濤,溫度為1 680 ℃,最終制得尺寸為20 mm×20 mm×65 mm的鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料。將鑄態(tài)復(fù)合材料在SG-XL1400型箱式爐中進(jìn)行如圖2所示的熱處理,先淬火后回火。 

圖  2  熱處理工藝曲線

Figure  2.  Heat treatment process curve: (a) quench and (b) tempering

根據(jù)GB/T 13298—2015制取金相試樣,經(jīng)磨削和1 g NaOH + 35 g K3Fe（CN）6 + 150 mL H2O混合溶液侵蝕后,采用JCM-7000型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀形貌,用附帶的能譜儀（EDS）分析微區(qū)成分。根據(jù)GB/T 229—2020,線切割制取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣,采用EL0033型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試沖擊性能,沖擊能量為300 J,擺錘錘刃刀口半徑為2 mm,測(cè)3組試樣取平均值,并觀察沖擊斷口宏觀形貌和微觀形貌。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   微觀形貌和微區(qū)成分

由圖3可見(jiàn)：無(wú)鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料中的ZTAp增強(qiáng)相與高鉻鑄鐵基體之間存在界面間隙,且在制樣過(guò)程中出現(xiàn)材料表層脫落,說(shuō)明ZTAP對(duì)高鉻鑄鐵液的潤(rùn)濕性較差,在澆注時(shí)阻礙鐵液流動(dòng),致使界面結(jié)合力較弱；鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料中的增強(qiáng)相嵌入在基體中,界面處無(wú)空洞、脫黏和分層等明顯缺陷,這說(shuō)明表面包覆鐵可以有效改善ZTAp增強(qiáng)相和高鉻鑄鐵基體的潤(rùn)濕性,使其界面結(jié)合良好。 

圖  3  無(wú)鐵包覆和鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的微觀形貌

Figure  3.  Micromorphology of high chromium cast iron composite reinforced by ZTAp without (a) and with (b) iron coating

由圖4可見(jiàn)：鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料中ZTAP與高鉻鑄鐵之間存在厚度15~30 μm的連續(xù)界面層,界面層富集著硅、鐵、鈉、氧、碳、錳和鋁元素。富集元素之間可能發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),形成新的化合物,且鈉水玻璃中的鈉、硅和氧元素主要富集于界面處,未向基體或增強(qiáng)相區(qū)域擴(kuò)散。鐵包覆層與高鉻鑄鐵液有更好的相容性,ZTAP表面包覆鐵后與高鉻鑄鐵的潤(rùn)濕性得到改善,使高鉻鑄鐵液在高溫下聚集并包圍在ZTAP表面；此外,擴(kuò)散到界面層的元素之間產(chǎn)生物化反應(yīng)形成界面層,界面反應(yīng)和元素?cái)U(kuò)散共同改善了ZTAP與高鉻鑄鐵間的界面結(jié)合性能。 

圖  4  鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的元素面掃描位置和掃描結(jié)果

Figure  4.  Elemental surface scanning position (a) and results (b–j) of high chromium cast iron composite reinforced by ZTAp with iron coating

2.2   沖擊性能和斷口形貌

試驗(yàn)測(cè)得,鐵包覆和無(wú)鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的沖擊韌度分別為2.1,0.5 J·cm−2,包覆鐵后沖擊韌度提升至原來(lái)的4.2倍。由圖5可見(jiàn)：無(wú)鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料沖擊試驗(yàn)后發(fā)生了拔出失效,而鐵包覆ZTAp后則發(fā)生顆粒斷裂失效,這是因?yàn)殍F包覆ZTAp后復(fù)合材料的界面結(jié)合性能更好。由圖6可見(jiàn)：鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料沖擊斷口處基體區(qū)出現(xiàn)大量撕裂棱,單個(gè)光滑解理面面積較小,斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理性斷裂；界面層局部存在韌窩、撕裂棱等斷裂特征。這是因?yàn)榻缑鎸又懈患脑亻g會(huì)發(fā)生互溶、擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)等,形成Al-Mn金屬化合物等具有一定韌性的產(chǎn)物[8],從而提高了界面結(jié)合強(qiáng)度,使復(fù)合材料受到?jīng)_擊時(shí)吸收更多沖擊功,提升了沖擊韌性。 

圖  5  無(wú)鐵包覆和鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的沖擊斷口宏觀形貌

Figure  5.  Impact fracture macromorphology of high chromium cast iron composite reinforced by ZTAp without (a) and with (b) iron coating

圖  6  鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的沖擊斷口微觀形貌

Figure  6.  Impact fracture micromorphology of high chromium cast iron composite reinforced by ZTAp with iron coating: (a) at low magnification and (b) at high magnification

3.   結(jié)論

（1）鐵包覆氧化鋯增韌氧化鋁顆粒（ZTAp）增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料中的ZTAp增強(qiáng)相嵌在高鉻鑄鐵基體中,界面處無(wú)空洞、脫黏和分層等明顯缺陷,界面結(jié)合良好；而無(wú)鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料中的ZTAp與高鉻鑄鐵間存在界面間隙,在制樣過(guò)程中發(fā)生表層脫落。 

（2）鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的ZTAP與高鉻鑄鐵之間存在連續(xù)的厚度在15~30 μm的界面層,可以提升界面結(jié)合性能。 

（3）鐵包覆ZTAp增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料的沖擊韌度（2.1 J·cm−2）為無(wú)鐵包覆時(shí)（0.5 J·cm−2）的4.2倍,失效方式由拔出失效轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒斷裂失效,基體區(qū)斷裂機(jī)制為準(zhǔn)解理性斷裂,界面層局部存在韌窩、撕裂棱等斷裂特征。

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