顆粒增強(qiáng)灰鑄鐵基表層復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、磨損是金屬材料失效的主要形式之一，磨損不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更帶來了重大的安全隱患?；诣T鐵因其成本低廉，鑄造性、加工性、減震性優(yōu)異而被廣泛應(yīng)用，但其耐磨性較差。因此，提高灰鑄鐵耐磨性具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。磨損通常發(fā)生在金屬工件表面位置，因而提高金屬材料表面耐磨性，是一種延長金屬工件的服役時(shí)間的有效方法。表面合金化和陶瓷顆粒增強(qiáng)都是有效提高金屬材料耐磨性的技術(shù)手段。
　　本研究通過在陶瓷增強(qiáng)顆粒表面燒結(jié)Ni層，在預(yù)制體中添加

2、石蠟作為造孔劑、高碳鉻鐵粉為合金粉末制備多孔預(yù)制體，通過常壓鑄滲法在灰鑄鐵表面同時(shí)實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)和表面合金化效果。系統(tǒng)研究了Al2O3含量對(duì)Al2O3增強(qiáng)ZrO2（ATZ）陶瓷顆粒性能的影響及機(jī)理，優(yōu)選出氧化鋁最佳的添加量。通過XRD、SEM、EDS等分析測試手段，探討所制備的復(fù)合材料的顯微組織與物相組成。通過磨損試驗(yàn)，研究復(fù)合材料的磨損行為和磨損機(jī)理。得到以下主要結(jié)論：
　　(1)當(dāng)Al2O3含量從0 vol％增加至20 vol%

3、時(shí)，ATZ陶瓷的維氏硬度變化不大，抗彎強(qiáng)度則增加了約15.8%；當(dāng)Al2O3含量進(jìn)一步增加至50 vol%時(shí)，ATZ陶瓷的維氏硬度逐漸降低，降低約29.4%，抗彎強(qiáng)度變化不大；斷裂韌性則一直隨Al2O3含量的增加而增加，增加約32.7%；
　　(2) Al2O3的添加會(huì)阻礙ATZ陶瓷的致密化過程，降低ATZ陶瓷的致密度，使維氏硬度降低；Al2O3顆粒的彌散強(qiáng)化使ATZ陶瓷抗彎強(qiáng)度增加，孔隙增加又會(huì)降低ATZ陶瓷抗彎強(qiáng)度。當(dāng)Al2O

4、3含量超過20 vol%時(shí)，Al2O3顆粒的彌散強(qiáng)化和孔隙的減弱效果共同決定ATZ陶瓷的抗彎強(qiáng)度；顆粒增韌和相變?cè)鲰g都能提高ATZ陶瓷顆粒斷裂韌性，當(dāng)Al2O3含量大于20 vol%時(shí)，相變?cè)鲰g占主導(dǎo)作用。Al2O3與ZrO2之間熱膨脹系數(shù)不匹配引起的殘余熱應(yīng)力，使得t-ZrO2由壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)，t-ZrO2穩(wěn)定性降低、相變能力增強(qiáng)；
　　(3)綜合考慮陶瓷的維氏硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，確定Al2O3添加量為20 v

5、ol%，ATZ陶瓷顆粒密度：5.55~5.61 g/cm3、斷裂韌性：5.9~6.2 MPa?m1/2、抗彎強(qiáng)度：600~670 MPa、維氏硬度：1250~1280 HV30；
　　(4)本研究通過常壓鑄滲法在灰鑄鐵表面同時(shí)實(shí)現(xiàn)陶瓷顆粒增強(qiáng)和表面合金化效果，所獲得的ATZ陶瓷顆粒增強(qiáng)灰鑄鐵基表層復(fù)合材料的陶瓷增強(qiáng)顆粒分布均勻且與預(yù)制體的形狀基本一致，說明所制備的多孔預(yù)制體強(qiáng)度能夠滿足常壓鑄滲的要求；高碳鉻鐵粉的添加將會(huì)使灰鑄鐵表

6、面白口化，復(fù)合材料的物相組成為：ATZ陶瓷顆粒、α-Fe、γ-Fe、珠光體、萊氏體、石墨、M7C3和M3C；
　　(5) ATZ陶瓷顆粒增強(qiáng)灰鑄鐵基表層復(fù)合材料的磨損率呈現(xiàn)先降低后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，復(fù)合材料的耐磨性約是灰鑄鐵基體的3.7倍。ATZ陶瓷顆粒增強(qiáng)灰鑄鐵基表層復(fù)合材料磨損性能提高的機(jī)理是：1. ATZ陶瓷顆粒和硬質(zhì)碳化物在磨損過程中逐漸“凸起”，從而保護(hù)周圍的金屬基體，即“陰影效應(yīng)”；2.添加高碳鉻鐵粉使灰鑄鐵表面合金