TiCN_p增强高铬铸铁复合材料的制备与性能_赵吉康.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21110021-1基金项目:国家自然科学基金(51574449)This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China(51574449)changcluj163comDOI:10.11896/cldb.21110021TiCNp增强高铬铸铁复合材料的制备与性能赵吉康，肖平安，顾景洪，钟斯远湖南大学材料科学与工程学院，长沙 410082本工作以 TiCNp和 20Cr 高铬铸铁粉末为原料，采用压制和超固相液相烧结(SLPS)工艺，制备含 10%30%(质量分数，下同)TiCNp的高铬铸铁复合材料，系统研究了增强相含量和烧结温度对复合材料致密化行为、显微组织、物相组成和力学性能的影响规律。研究结果表明，通过真空液相烧结可以制备出相对致密度均达到 975%以上的各成分复合材料，物相主要由 TiCN、Cr7C3碳化物、马氏体和少量奥氏体组成;随着增强相添加量逐步增加，TiCNp沿晶界分布，逐渐形成网状分布结构，而 Cr7C3越来越多地在烧结过程中没有熔化的合金基体中析出和粗化;这使得复合材料的硬度线性上升，而抗弯强度和冲击韧性则降低。当 TiCNp添加量为 30%时复合材料的力学性能可以达到硬度 878HA，抗弯强度 1 304 MPa，冲击韧性235 J/cm2。关键词复合材料TiCNpPM 高铬铸铁力学性能显微组织中图分类号:TB331文献标识码:APreparation and Properties of TiCNpeinforced High Chromium Cast Iron CompositesZHAO Jikang，XIAO Ping an，GU Jinghong，ZHONG SiyuanSchool of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，ChinaTaking TiCNpand 20Cr high chromium cast iron powder as raw materials，reinforced high chromium cast iron with 10wt%30wt%TiCNpinthis work was fabricated by supersolidus liquid phase sintering(SLPS)method The influence of TiCNpaddition amount and sintering tem-perature on its densification，constituent phase，microstructure and mechanical properties have been investigated systematically The results showthat the relative density of the TiCNpsintered through SLPS technique could reach to 975%，and it s phase composition containing TiCN，Cr7C3carbides，martensite and a small amount of austenite Besides，with the increment of TiCNpaddition amount，TiCNpgradually forming a net distri-bution along the grain boundary Meanwhile，more and more Cr7C3carbides were precipitated and coarsened in the unmelted alloy matrix，whichcould lead to the linearly increment of the hardness of the TiCNPbut decreases their bending strength and impact toughness And in general it isworth noting that the sintered composite with 30wt%TiCNphas great mechanical properties with hardness of 878HA，bending strength of 1 304 MPaand impact toughness of 235 J/cm2Key wordscomposite，TiCNp，PM high chromium cast iron，mechanical property，microstructure0引言据国家行业协会统计，WC-Co 硬质合金作为耐磨件的使用量占其年总生产量的近 30%，但是 W 资源有限、在硬质合金中的比重大和价格昂贵的问题十分突出1。因此，开发生产可以替代硬质合金的高性价比新型耐磨材料意义重大，并且潜在的经济效益和社会效益十分可观。TiCN 不仅具有硬度高、耐腐蚀和耐磨损等突出特性，而且与 TiC 相比，抗氧化性和韧性更好，有利于提高颗粒增强复合材料的红硬性、热导率、抗弯强度和抗高温蠕变性能2-5。因此，其在颗粒增强复合材料制备中作为硬质相应用，获得了材料科研工作者的青睐。Gmez 等6-7 采用粉末冶金法成功制备出以 TiCN 颗粒为增强相的高速钢复合材料，发现在高硬度 TiCN 颗粒周围形成了一层碳化物，它们作为中间相在基体和增强颗粒之间形成适当的过渡结合，从而提高了合金的耐磨性;当滑动载荷为 10 N 时，复合材料的质量损失是基体材料的 25%。广西大学苏广才等8-9 通过原位反应铸造法以 45 钢、钛铁、生铁等为主要原料，使用中频感应电炉实现烧结，并添加含氮附加物，成功制备了 TiCN 颗粒增强铁基复合材料;复合材料的硬度达到 585HC，增强颗粒与基体结合良好，界面平直光滑。陈敏等10 利用钛铁矿经过碳热还原合成 TiCN 复合粉，再与不同含量的 Fe 粉配合后制备出颗粒增强铁基复合材料;研究发现硬质相添加量大于40%时出现了团聚、组织不均匀的现象，通过添加 2%Mo 使其润湿性获得改善，可提高复合材料的综合力学性能。但是，上述复合材料制备方法不仅存在工艺复杂和硬质相添加量大、成本较高的问题，而且制备出的耐磨复合材料硬度偏低，与硬质合金差距明显。TiCN 金属陶瓷的发展经历了三个阶段，第一阶段是由 Ni 作为粘接相，制得 TiC-Ni 金属陶瓷，其韧性较差，故应用不够广泛;第二阶段是向 TiC-Ni 金属陶瓷中加入适量的 Mo，通过改善硬质相和粘接相的润湿性，从而提高了金属陶瓷的强韧性;第三阶段，将适量 TiN 加入到TiC-Ni-Mo 金属陶瓷中制备出力学性能和耐磨性能更加优良的 TiCN 金属陶瓷11。对于金属陶瓷，在保持高硬度的情况下提高其强韧性是今后重要的研究方向12-15。高铬铸铁(High chromium white iron，HCCI)的组织中存在大量 M7C3型碳化物，硬度高，是优异的高性价比耐磨材料16-19;采用铸造工艺制备的高铬铸铁耐磨件被广泛应用于采矿、水泥、冶金等行业20-21。以高铬铸铁为基体，采用颗粒硬质相增强的方式可进一步提升硬度和耐磨性能，这是有望21110021-2实现部分替代硬质合金的一种技术思路。但铸造高铬铸铁中的 M7C3型碳化物呈菊花状，对金属基体割裂非常严重，存在强度和韧性低的先天不足，很难成为合格的复合材料基体。近年来，笔者课题组系统研制了多个系列的粉末冶金(PM)高铬铸铁，使得合金的韧性和抗弯强度成倍提升，成为一种比较好的耐磨材料基体22。因此，有望在 TiCNp增强硬质相加入量不高的情况下实现硬度和耐磨性能的显著提高。本工作选择具有高强韧性和耐磨性能优良的 PM 高铬铸铁作为基体，使用高显微硬度和低摩擦系数的 TiCNp作为增强相，系统研究了 TiCNp添加量和烧结工艺对复合材料的致密化、物相组成、显微组织和力学性能的影响规律，揭示了相关的内在机理，以期最终获得具有优秀耐磨性和高性价比的新型复合材料。1实验11实验原材料本实验采用含 20%Cr 的高铬铸铁为基体，TiCNp为增强相。采用 BT-9300H 型激光粒度分布仪对原料粉末粒度特性进行检测，水雾化高铬铸铁粉末 D50为 4250 m，其主要成分测定结果见表 1;TiCN 粉末 D50的检测结果为 043 m。表 1烧结高铬铸铁的主要化学成分(质量分数，%)Table 1Main chemical composition(mass fraction，%)of sintered highchromium cast iron元素CCrMoNiFe含量2501928158096余量12实验过程与方案首先将 TiCNp与高铬铸铁粉末装入不锈钢罐，然后放置在摇臂混粉机上进行粉末预混，TiCNp的添加量分别选定10%、15%、20%、25%和 30%，混粉时间采用 3 h，使原料粉末充分混合均匀。为改善球磨后粉体的压制性能，再加入 1%丁苯橡胶作为成形剂。掺成形剂后的合格粉体在 50 t SFLS 型两柱液压机上使用模具进行单向压制成形，压坯尺寸为 80 mm17 mm15 mm，压制压力为 250350 MPa。压坯在 GSL1600X 管式炉内进行真空超固相线液相烧结(SLPS)，烧结保温阶段的真空度保持在 510 Pa，保温时间为 90 min。通过改变烧结温度来研究压坯的致密化行为，根据文献 23-24 的研究结果，烧结温度研究范围确定为 1 2351 260。13实验表征方法烧结样品的密度采用阿基米德法进行测量。采用200HS-150 全自动洛氏硬度计检测试样的硬度，每个样品测量五次后取平均值作为最终结果。使用 Instron3369 电子万能力学试验机检测烧结复合材料的抗弯强度，测试试样的尺寸为 5 mm5 mm35 mm。冲击韧性在 XJ-40A 摆锤式冲击试验机上进行测试，使用 5 mm5 mm50 mm 无缺口待测试样。最终的抗弯强度和冲击韧性指标是三次检测结果的平均值。观察显微组织试样的制备方法是使用 802 000 目的水磨性砂纸对试样进行粗磨和细磨，随后以纳米二氧化硅溶液为抛光剂对试样进行抛光，无需进行腐蚀。合金的背散射成像观察分析在 TESCAN MIA3 LMU 场发射扫描电镜上进行，需要能谱分析的试样放在 Ultim Max 40 型 X 射线能量色散能谱仪下进行，使用 Image-Pro Plus(IPP)对复合材料的碳化物进行定量分析，利用 D8-advance 型 X 射线衍射仪(XD，Cu 靶，=0154 05 nm)分析试样的物相组成，管流200 mA，管压 40 kV，扫描角度 2 为 20 90，扫描速度为5()/min，步长为 002。2结果与讨论21烧结制品的致密化图 1 为在烧结保温时间统一为 90 min 条件下，通过实验获得的 TiCNp增强高铬铸铁复合材料的密度-烧结温度关系曲线。从图 1 中可以看出:一方面，烧结样品的密度随烧结温度的提升逐渐增大并趋于稳定，存在约 15 的密度稳定区间。另一方面，TiCNp添加量越大，密度逐渐减小，这是由于 TiCN 的 密 度 为 5 18 g/cm3，高 铬 铸 铁 的 密 度 约 为765 g/cm3，TiCNp含量的增加会导致复合材料的密度降低。表 2 为烧结温度 1 250 时制备得到的不同复合材料的相对密度 计 算 结 果，复 合 材 料 理 论 密 度 计 算 公 式 为=1m1/1+m2/2，其中，1、2和 m1、m2分别表示 TiCN 和高铬铸