鋼基材料論文：鋼基材料制備探究

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本文作者：賀小剛盧德宏陳世敏蔣業(yè)華作者單位：昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

鑄態(tài)組織分析

圖2a是Al2O3p／40Cr復(fù)合材料的宏觀形貌照片，在8MPa的壓力下復(fù)合層的厚度為5～6mm，無(wú)鑄造缺陷。圖2b是MMCs基材的金相照片，主要組織是少量的鐵素體和珠光體，組織致密、晶粒細(xì)小，無(wú)任何縮孔、縮松。圖2c是MMCs的宏觀界面金相照片，可以看出宏觀界面結(jié)合良好、過(guò)渡自然、基材連續(xù)性好，無(wú)任何裂紋。避免了粉末冶金、無(wú)壓浸滲、原位反應(yīng)制備時(shí)所產(chǎn)生的浸滲厚度小、縮孔、縮松等缺陷。從圖2d和圖2e來(lái)看，陶瓷Al2O3顆粒比較均勻地分布于基體中，顆粒呈不規(guī)則多邊形，鋼液全部充滿陶瓷孔隙，沒(méi)發(fā)現(xiàn)任何的顯微孔洞、裂縫和其他鑄造缺陷，從而表明擠壓鑄造復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)非常致密；Al2O3顆粒與40Cr基體之間的微觀界面結(jié)合也非常緊密，幾乎觀察不到化學(xué)反應(yīng)物，這主要是因?yàn)樵趬毫Φ淖饔孟落撘号c增強(qiáng)體在高溫下接觸時(shí)間短，以及Al2O3本身所具有的耐腐蝕、抗氧化等特點(diǎn)。這表明機(jī)械結(jié)合良好。

熱處理態(tài)組織分析

對(duì)Al2O3p／40Cr基復(fù)合材料進(jìn)行了熱處理，因?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料使用在強(qiáng)烈磨損的工況下，基體需滿足一定的硬度要求，一方面提高對(duì)硬質(zhì)顆粒的支撐能力，另一方面也提高自身的硬度和抗磨能力。圖3為熱處理后基材和復(fù)合材料層的金相照片。從圖3a和圖3b中可以觀察到，基體的組織均已完全淬透且為馬氏體。在復(fù)合層中微觀界面處也沒(méi)有新的物質(zhì)析出，這說(shuō)明在熱處理過(guò)程中，復(fù)合層中并未發(fā)生任何的界面反應(yīng)，為機(jī)械結(jié)合。從圖3c中可以看出，宏觀界面處的組織呈連續(xù)變化，過(guò)渡自然。

鑄態(tài)與熱處理態(tài)宏觀硬度的對(duì)比

圖4是Al2O3／40Cr基復(fù)合材料在鑄態(tài)與熱處理態(tài)下沿厚度方向宏觀硬度的變化曲線。從曲線可以發(fā)現(xiàn)，材料熱處理態(tài)時(shí)的硬度明顯比鑄態(tài)的硬度高，基材的硬度增加明顯，然而復(fù)合層的的硬度只有稍微的升高，在宏觀界面處有一個(gè)緩慢的變化過(guò)程。鑄態(tài)時(shí)通過(guò)混合定律的計(jì)算復(fù)合層的硬度應(yīng)該為基材的4倍，然而實(shí)測(cè)復(fù)合層的硬度卻為基材的1．5倍。另外，復(fù)合層的硬度比基材的高，主要原因與陶瓷顆粒Al2O3的本身特性和它在基體中的強(qiáng)化機(jī)制有關(guān)。陶瓷Al2O3具有高的比模量、比剛度，高強(qiáng)度，以及耐磨損、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)良性能，它與基體相結(jié)合使復(fù)合層的硬度提高［11］。Al2O3的加入，使復(fù)合層產(chǎn)生了眾多的微觀界面，這些界面將阻礙材料中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)產(chǎn)生塞積，從而使變形抗力增加，其宏觀上表現(xiàn)為硬度值提高。熱處理態(tài)時(shí)通過(guò)混合定律的計(jì)算復(fù)合層的硬度應(yīng)該為基材的2倍，然而實(shí)際測(cè)得復(fù)合層的硬度比基材的硬度低約11．3％。

基材與復(fù)合材料層摩擦磨損性能的對(duì)比

40Cr基材試樣磨損前后質(zhì)量差為11．73mg，復(fù)合層試樣磨損前后質(zhì)量差為0．93mg，根據(jù)式（3）計(jì)算得復(fù)合材料的相對(duì)耐磨性為8．7。因此復(fù)合材料的耐磨性為40Cr基材的8．7倍，從而表明Al2O3／40Cr基復(fù)合材料具有優(yōu)越的耐磨性能。然而由圖4看出，在熱處理態(tài)時(shí)復(fù)合層的硬度并沒(méi)有基材的硬度高，但是耐磨性卻相反，從而說(shuō)明硬度并不是衡量復(fù)合材料耐磨性的唯一指標(biāo)。圖5為40Cr基材磨損表面形貌。圖6為復(fù)合材料磨損表面形貌。從圖5中可以觀察到磨損表面光滑，在局部存在一定的疲勞撕裂現(xiàn)象。這是因?yàn)?0Cr基材的微凸體在300N的試驗(yàn)壓力和剪切力作用下發(fā)生了大塑性變形，然后在摩擦磨損的過(guò)程中逐漸趨于光滑。同時(shí)，局部也發(fā)生了一定的氧化，經(jīng)粘著和疲勞磨損，最后導(dǎo)致一些微凸體發(fā)生了撕裂和脫落。圖540Cr基材磨損表面形貌SEM照片圖6復(fù)合層磨損表面形貌SEM照片從圖6中可以看出，陶瓷Al2O3顆粒從基體中凸出，但它仍與基體有很好的結(jié)合，沒(méi)有脫落。這是因?yàn)樵嚇颖砻娼?jīng)過(guò)一個(gè)磨合期后，由于顆粒與40Cr基體硬度上的差異，在磨損的過(guò)程中Al2O3顆粒比基體耐磨，所以逐漸高出基體表面。在基體表面上可見(jiàn)一條條相互平行的小溝漕，沒(méi)有疲勞撕裂現(xiàn)象。這表明，由于Al2O3顆粒凸出于基體表面，承受了來(lái)自對(duì)偶表面的主要載荷與磨損，保護(hù)了基體，所以基體的塑性變形和疲勞撕裂被抑制，從而主要呈現(xiàn)輕微的磨料磨損，所以復(fù)合材料的耐磨性比40Cr基材的耐磨性提高。

結(jié)論

（1）在擠壓鑄造模具內(nèi)表面制備較厚的陶瓷保溫涂層，在8MPa的比壓下，成功制備了6mm厚，Al2O3體積分?jǐn)?shù)為56％的Al2O3／40Cr基復(fù)合材料。（2）所制備的Al2O3／40Cr復(fù)合材料組織致密、晶粒細(xì)??；基材和復(fù)合材料層（宏觀界面）過(guò)渡自然、連續(xù)性好，顆粒和基體的微觀界面結(jié)合緊密。（3）在鑄態(tài)下復(fù)合材料的硬度比基材的硬度高出約50％；但在熱處理態(tài)下，復(fù)合材料的硬度反而比基材的硬度低11．3％。（4）在常溫干摩擦條件下，復(fù)合材料的耐磨性為40Cr基材的8．7倍，表明擠壓鑄造制備的Al2O3p／40Cr基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性能。