摘要:采用普通砂型鑄造工藝，制備出高鉻鑄鐵增強(qiáng)ZG45鋼基表層復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)結(jié)合界面的顯微組織分析以及硬度測(cè)定，發(fā)現(xiàn)復(fù)合層與鋼基體之間為冶金結(jié)合，組織中無(wú)氣孔和夾渣等缺陷。運(yùn)用動(dòng)力學(xué)理論，分析了該復(fù)合材料界面形成的機(jī)理。
　　關(guān)鍵詞:砂型鑄造,鋼基表層復(fù)合材料,動(dòng)力學(xué),界面分析
　　在復(fù)合材料的制備與研究中，界面控制與制備工藝問(wèn)題一直是復(fù)合材料制備領(lǐng)域研究的重大技術(shù)問(wèn)題。PPMMCS材料的界面主要有三種類型：I類是平整界面，增強(qiáng)體與基體互不反應(yīng)，亦互不溶解，界面兩側(cè)靠機(jī)械鉚合及范德瓦爾斯鍵的物理結(jié)合，這是一種很弱的界面結(jié)合方式，如.Cu—A12Q3纖維。II類界面為犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散界面，增強(qiáng)體與基體不反應(yīng)但相互溶解。III類界面則有界面反應(yīng)物，屬化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，如硼纖維增強(qiáng)Ti能生成TiB2化合物層。經(jīng)過(guò)對(duì)復(fù)合材料界面處進(jìn)行剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，II類和III類界面的基體與增強(qiáng)體在界面處有較強(qiáng)的結(jié)合力，有利于提高材料的耐磨性能。因此，工程上需要第II類或第III類界面，但由于鋼的熔點(diǎn)高、凝固快、流動(dòng)性差等特點(diǎn)，形成鋼基復(fù)合材料的難度較大。本文采用一種新型添加劑，制得了高鉻鑄鐵增強(qiáng)ZG45基表面復(fù)合材料，并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)，分析了復(fù)合材料結(jié)合界面組織的形成機(jī)理。
　　1鑄滲材料及工藝
　　1.1鑄滲材料：基體為ZG45(ώc:0.42~0.52,ώMu:0.05~0.80,ώSi:0.20~0.45,ώP<0.02,ώS<0.02)合金化材料為100~154um的高碳鉻鐵粉末(8.5%C+64.2%Cr+25.3Fe+1.5%Si+0.5%其他)。
　　1.2一定質(zhì)量的高碳鉻鐵粉末與一定比例（8%~10.5%）的添加劑混合成膏狀，鑄型內(nèi)鋪敷，膏塊厚度為4mm。
　　1.3鑄型條件：普通水玻璃石英砂干型、無(wú)負(fù)壓；試樣尺寸：80mm50mm60mm；澆注溫度：16000C~16500C.
　　高溫鋼液澆入鑄型后，合金顆粒被浸潤(rùn)、熔化、凝固結(jié)晶，形成表面復(fù)合層。將鑄造表面復(fù)合材料樣品，加熱至9500C保溫2h空冷。線切割取得表面復(fù)合材料試樣，用金相顯微鏡、光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)表層結(jié)合界面進(jìn)行組織分析，并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)理論，分析界面形成的機(jī)理。
　　2表面復(fù)合材料界面組織分析
　　鑄件表面復(fù)合層表面平整，內(nèi)在品質(zhì)良好，合金粉末熔化充分，并有一定程度的擴(kuò)散，形成了致密的合金化組織。圖1是復(fù)合層與鋼基體結(jié)合界面的光學(xué)顯微鏡照片�？梢钥闯觯瑥膹�(fù)合層表面向鋼基體，鑄件的金相組織是逐漸過(guò)渡的，即分為復(fù)合層———過(guò)渡層———基體幾種不同的區(qū)域。
　　
　　圖1中，鋼基體與復(fù)合層之間的過(guò)渡層有兩條帶，通過(guò)顯微硬度的測(cè)試和界面處元素濃度的能譜分析，發(fā)現(xiàn)靠近復(fù)合層的黑色條帶為珠光體帶(Hv403)，在此帶中沒(méi)有共晶碳化物組織出現(xiàn)，起到過(guò)渡作用；靠近基體的白色條帶為鐵素體帶（Hv282），經(jīng)過(guò)9500C2h正火處理后，此帶消失。
　　參考Fe-Cr-C三元相圖中含Cr18%截面圖析，作者認(rèn)為界面上之所以出現(xiàn)鐵素體帶和索氏體帶，是因?yàn)楫?dāng)鉻鐵粉膏塊表面與高溫鋼水接觸后迅速熔化，由于鉻與碳的親和力大，鉻奪走了鋼水中的碳原子，使得接觸面上鋼水發(fā)生嚴(yán)重貧碳，凝固時(shí)先結(jié)晶出高溫鐵素體，部分鐵素體與鋼液發(fā)生包晶反應(yīng)得到奧氏體。由于界面上凝固得很快，使得未來(lái)得及發(fā)生包晶反應(yīng)的鐵素體保留到室溫，形成鐵素體帶。同時(shí)，鉻屬于擴(kuò)大奧氏體區(qū)域的元素，生成的奧氏體溶入一定量的合金元素，室溫下轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w帶。界面上的這一鐵素體帶有利于減少凝固過(guò)程中由于熱應(yīng)力和相變應(yīng)力以及機(jī)械應(yīng)力帶來(lái)的剝落和裂紋傾向。
　　
　　圖2為鑄態(tài)及正火態(tài)下的表層復(fù)合材料的表面層、過(guò)渡結(jié)合區(qū)至基體的洛氏硬度變化曲線。硬度曲線表明合金化表面層至基體硬度是連續(xù)變化的，并呈下降趨勢(shì)。表面層（距表面1.5mm內(nèi)）硬度最高，原因在于靠近型壁的合金顆粒幾乎是原位熔化與鋼液混合，因而在表層及次表層形成由大量合金碳化物M7C3組成的復(fù)合層區(qū)域。從表面復(fù)合至過(guò)渡區(qū)結(jié)合界面，硬度下降十分緩慢，在過(guò)渡區(qū)結(jié)合界面處硬度急劇降低，原因在于，在近界面處合金元素含量高，而在界面處合金元素迅速下降，見(jiàn)圖3。
　　
　　從金相組織以及界面處材料洛氏硬度分布可知，復(fù)合層與基體的結(jié)合是冶金結(jié)合。
　　3表面復(fù)合材料界面形成機(jī)理
　　增強(qiáng)材料因其物理和化學(xué)特性均與液態(tài)金屬不同，勢(shì)必對(duì)材料凝固過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)和傳動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生明顯的影響，致使復(fù)合層的凝固過(guò)程及其組織都與基體金屬有較大差異。
　　復(fù)合材料的鑄滲層以及結(jié)合界面的形成過(guò)程，主要是ZG45鋼液向高碳鉻鐵合金顆粒的浸滲、合金顆粒的熔化及隨后與滲入鋼水的混合和元素?cái)U(kuò)散及最終的凝固結(jié)晶過(guò)程，其中鋼水向合金顆粒的浸滲過(guò)程是決定形成界面的關(guān)鍵。如圖4所示，鋼水澆入前，在添加劑的作用下，合金顆粒被牢牢地聯(lián)結(jié)在一起；鋼水澆入后，靠近鋼水的添加劑迅速熔化并以液體形式存在于合金顆粒之間，對(duì)表面產(chǎn)生凈化作用，最終形成渣液而溢出。而且高溫鋼液的澆入，導(dǎo)致復(fù)合層部分合金顆粒的熔化，致使合金元素的重組，從而由界面到鑄型處形成了Cr,C等元素的濃度剃度，如圖3)。
　　
　　離型壁較遠(yuǎn)的部分合金顆粒，邊熔化邊向ZG45鋼液漂移一定距離，凝固結(jié)晶形成一定寬度的過(guò)渡區(qū)。從過(guò)渡區(qū)向外，因受合金顆粒及型壁的激冷作用，滲入鋼水的溫度下降、粘度增加、流動(dòng)能力降低，致使合金顆粒的熔化及隨后與滲入鋼水的混合及元素間相互擴(kuò)散的能力越來(lái)越弱，尤其是靠近型壁的合金顆粒幾乎是原位熔化與鋼液混合，最終形成由里到外具有較大差異的鑄滲復(fù)合層組織。
　　4結(jié)論
　　4.1采用普通砂型鑄造工藝，成功制備出了高鉻鑄鐵增強(qiáng)ZG45鋼基表層復(fù)合材料；
　　4.2鑄滲層與鋼基體之間為冶金結(jié)合；
　　4.3復(fù)合材料的硬度由表面至鋼基體逐漸降低，結(jié)合界面起到降低應(yīng)力、傳遞載荷的作用；
　　4.4復(fù)合材料結(jié)合界面的形成主要是鋼水向合金顆粒的浸滲、合金顆粒的熔化及隨后與滲入鋼水的混合及元素?cái)U(kuò)散及最終的凝固過(guò)程。
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