收稿日期:2009-08-26
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50771028,50471024);长江学者和创新团队发展计划项目(IRT 0713)
作者简介:李 杰(1982-),男,浙江宁波人,东北大学博士研究生;宗亚平(1956-),男,陕西榆林人,东北大学教授,博士生导师
第31卷第5期2010年5月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 31,No.5M ay 2010
不同颗粒增强铁基复合材料磨损性能的对比
李 杰,宗亚平,王耀勉,庄伟彬
(东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室,辽宁沈阳 110004)
摘 要:采用动态电流直加热制备,提出了分段加热工艺,研究了陶瓷颗粒增强铁基复合材料的磨损性能和磨损机理 结果表明:四种不同颗粒增强铁基复合材料的磨损量均在#45钢磨损量的15%以下;T i(C,N)对改善材料磨损性能作用最强,表明与基体界面可经受一定变形量的强化粒子最有利于提高耐磨性;复合材料的耐磨性均在强化粒子体积分数为10%时达到最好 铁基复合材料表现出高摩擦系数时耐磨性反而更好的特性,在耐磨材料应用方面显示出巨大优势
关 键 词:铁基复合材料;磨损性能;增强粒子类型;热压烧结
中图分类号:T G 333 文献标志码:A 文章编号:1005-3026(2010)05-0660-05
Comparative Investigation on Wear Behavior of Iron Matrix Composites Reinforced by Different Ceramic Particles
L I Jie,ZONG Ya -p ing ,WAN G Yao -m ian ,Z H UAN G Wei -bin
(K ey Labor ator y of Anisotropy &T exture of M aterials,M ini stry of Education,Nort heaster n U niv ersity,Shenyang 110004,China.Cor respondent:ZON G Ya -ping,E -mail:ypzong @)
Abstract:A number of iron m atrix composites reinforced by different types of ceramic particles w ere prepared by the process of two -step dynamic electric current heating and sectional hot pressing to investigate the effects of reinforcing particles on the w ear behavior of the composites.T he results showed that the w ear loss of all those iron matrix com posites is low er than 15%of that of the #45carbon steel which is w idely used in China.T he T i(C,N)particles function as the strongest influencing factor on improving the wearability in the four ceramic particles used,i.e.,the reinforced ceramic particles w hich are endurable to a certain deformation on the interfaces betw een them and matrix are most beneficial to improving w earability.On the other hand,the w earability of all those composites come up to their max imum if the volume fraction of reinforcing particles is 10%,and the w earability becomes better if the friction coefficient of the composites is high.Such features make the composites superior in m any application fields,such as brake making.
Key words:iron matrix composites;w earability;reinforcing particles;hot press sintering 颗粒增强金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、好的耐热性能以及较低的热膨胀系数和高的尺寸稳定性等一系列优点 其中,铝基复合材料受到了很大的重视,得到了广泛的应用[1-2],而铁基复合材料成本低、性能高,是最具有工业研究价值的金属基复合材料之一[3-4] 但是,相对于其他金属基复合材料而言,铁基复合材料熔点高、制备困难,尽管有很多的探索性研究,但制备材料性能低,没有取得显著的工业应用
[3-4]
电流直加热动态热压烧结工艺和设备[5-
8]
大大缩短了制备时间,解决了陶瓷颗粒与铁基体剧烈反应的困难,并通过对工艺的改进,取得了显著的研究进展[5-8]
,铁基复合材料的拉伸性能达
到了文献检索报道的先进水平[8]
铁基复合材料在耐磨材料、工磨具钢等领域具有强大的潜力,能够发挥重要作用,因此考察铁基复合材料的耐磨性能就显得尤为重要 同时多
数文献报道都是研究单种颗粒增强铁基复合材料
耐磨性能,相互之间由于制备工艺的巨大差别结果没有可比性,还没有文献系统报道几种不同颗粒增强铁基复合材料耐磨性能的对比研究 本文采用动态电流直加热制备方法,并提出了分段加热的改进工艺,制备了SiC/Fe,Cr3C2/ Fe,TiC/Fe和Ti(C,N)/Fe复合材料,在相同工艺条件下考察不同颗粒增强铁基复合材料的耐磨性和磨损机理,为钢铁基复合材料的推广应用提供必要的研究数据和理论基础,增进钢铁材料在材料领域中应用的竞争力
1 实验材料和实验方法
实验中以Cr3C2,SiC,T iC,Ti(C,N)粉末作为增强体,质量分数 99 85%,平均粒度均为3 m;以还原铁粉为基体,质量分数 98 68%,平均粒度50 6 m;以化学纯硬脂酸锌为润滑剂 在制备铁基复合材料的原始粉末中,Cr3C2,SiC, T iC,T i(C,N)增强颗粒的体积分数分别为5%, 10%,15%,化学纯硬脂酸锌质量分数为0 5%~ 1 0%
粉末经初步混合后在搅拌球磨机上搅拌混合至均匀,在液压机上冷压成型,成型后的试样置于特意研制的电流直加热动态热压烧结装置内制备 将制备好的试样去毛刺磨平,在450SVD维氏硬度计上测定试样的硬度 采用阿基米德排水法测定试样的密度 摩擦磨损试验在M G-2000型销-盘式高温高速摩擦磨损试验机上进行 试验条件:转速为500r/min,共4000转,载荷分别为50,80,100,120N 实验中用金相显微镜和扫描电镜观察铁基复合材料的显微组织和试样磨损后的表面形貌
2 结果与讨论
2.1 分段加热工艺的作用
本课题组研究电流直加热动态热压烧结工艺时,采用的是连续电流一次加热的方法 最佳工艺参数是:烧结时间为600s,烧结电压5V,初始感应电压550V[5-8] 一次连续电流加热烧结由于升温快而不易控制,试样整体烧结时间不充分而性能不易提高,且实验重复性差,为此需要进一步改进烧结工艺
本文提出了分段加热烧结工艺,即分段电流烧结 经实验研究得出的最佳工艺参数是:烧结电压5V,初始感应电压550V 首先连续电流直接升温100s,转入循环电流加热后,加热和间歇时间比为1/1,每个循环为2s,动态保温100次,这样试样总制备时间是300s,比原工艺制备时间缩短了一半 图1为两种工艺制备的SiC/Fe复合材料的对比,可见,经过改进工艺,复合材料的性能得到了很大的提高 因此,所有样品均采用新工艺制备
图1 两种工艺制备的SiC/Fe复合材料
Fig.1 Comparison of the properties of SiC/Fe pr oduced by two different pr ocess es
(a) 相对密度;(b) 硬度
2.2 硬度和磨损性能对比
对比各种陶瓷增强颗粒的作用是本研究的主
要目的 图2为不同颗粒含量铁基复合材料性能
的对比 图2a表明,当增强体体积分数为10%
时,复合材料硬度最高 其中Cr3C2/Fe硬度最高,
SiC/Fe硬度次之,而Ti(C,N)/Fe硬度最低 从图
2b可以看出各种复合材料均表现出很好的耐磨
性能,磨损量均是经过淬火+低温回火后的#45
钢磨损量的15%以下 Ti(C,N)/Fe的磨损量最
低,以下依次是SiC/Fe,TiC/Fe,Cr3C2/Fe,说明
Ti(C,N)粒子对改善复合材料磨损性能作用最
强,SiC和TiC颗粒次之,Cr3C2颗粒虽然对提高
复合材料的硬度最显著,但对改善耐磨性能效果
却最差 而且对比图2a和图2b,当增强体体积分
数为10%时,SiC/Fe硬度明显高于Ti(C,N)/Fe
和T iC/Fe,而3种复合材料的磨损量差别很小
可见,复合材料的耐磨性与硬度没有直接对应关
系,这与普通金属材料耐磨性的变化规律有很大
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第5期 李 杰等:不同颗粒增强铁基复合材料磨损性能的对比
的不同 同时,可以看出,当增强体体积分数为10%时,各种复合材料的磨损量最小,这与材料拉伸强度[8]
的变化规律是一致的
从增强颗粒化学性质分析,Ti(C,N )是由具有相似结构和性能的T iC 和TiN 之间形成的连续固溶体,并且具有较高的硬度、耐磨性,还有一定的韧性和强度,是与基体界面可经受一定变形量的强化粒子,实验表明对改善材料耐磨性效果明显好于碳化物 而SiC 是共价键型,Si C 间键力很强,决定了其具有稳定的晶体结构和化学特
性,以及非常高的硬度等性能,耐磨性提高效果次之 TiC 和Cr 3C 2脆性高、界面结合强度高、颗粒硬,且在高温下热稳定性好及对基体的不溶性,结果提高耐磨性能最差 由此可见,强化粒子的化学性质对提高复合材料耐磨性的效果起重要作用,在磨损过程中颗粒与基体结合界面脆而强,界面可经受变形量很低,因此提高耐磨性效果差,而与基体结合界面有一定可变形量的、不与基体发生化学反应的强化粒子,能更有效地提高铁基复合材料的耐磨性
图2 不同颗粒含量铁基复合材料性能的对比
Fig.2 Performance comparison of the iron m atrix composites with di fferent volum e fracti on of reinforcing parti cles
(a) 硬度;(b) 磨损量
#1:#45钢;#2:Cr 3C 2/Fe;#3:SiC/F e;#4:T iC/Fe;#5:T i(C,N )/Fe
2.3 材料摩擦系数和磨损性能与载荷的关系
为了研究试验载荷对铁基复合材料磨损性能的影响,本试验选择耐磨性能较好的10%T iC/Fe
复合材料和10%Ti(C,N)/Fe 复合材料作为研究对象,载荷分别为50,80,100和120N,试验结果如图3所示
图3 载荷对两种铁基复合材料磨损性能的影响
F i g.3 Influence of load on the wear behavior of two i ron matrix com pos i tes
(a) 对磨损量的影响;(b) 对摩擦系数的影响
图3a 为载荷对10%TiC/Fe 和10%Ti(C,N)/Fe 复合材料磨损量的影响 当载荷较小时,两种铁基复合材料磨损量较低、差别很小;当载荷超过100N 时,两种铁基复合材料的磨损量急剧增加、差别明显增大 图3b 为试验载荷对两种铁基复合材料摩擦系数的影响 两种铁基复合材料摩擦系数均随着载荷的增加呈先降低后逐渐平稳趋
势,在载荷为50N 时摩擦系数最大 原因是:在较低载荷下,由于试样表面粗糙度大,引起摩擦系数较大;随着载荷的增加,磨损表面和亚表层受到正压力增加,亚表层塑性变形加大,磨面上的凸凹峰相互作用增大,其有效接触面增加,试样和摩擦副摩擦产生的热量增多,温度升高,导致试样表面粗糙度减小,摩擦系数降低;而当载荷增加到一定程
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度时,磨损表面和亚表层的塑性变形达到相对稳定的状态,表面磨损趋于稳定,摩擦系数也趋于稳定
对比图3a,图3b 可以发现,复合材料表现出高摩擦系数时耐磨性反而更好的现象,这表明铁基复合材料非常适合作摩擦材料,例如刹车片等,通过适当控制增强颗粒的种类、含量、尺寸等微观条件,进一步改进耐磨性与强度,铁基复合材料同样可以在模具应用方面显示出巨大前景 2.4 磨损机理的讨论
图4是不同载荷下两种铁基复合材料的磨损形貌的比较 从图4a 可以看出,当载荷为50N 时,10%T iC/Fe 表面滑痕和犁沟现象不明显;随着载荷的增加,犁沟现象加剧,并伴有少量块状物
质脱落;当载荷继续增加达到120N 时(如图4b 所示),磨损表面有大量块状物质脱落,并伴随有大量细小裂纹出现 这说明随着载荷的增加,10%TiC/Fe 由小载荷时的磨粒磨损为主变成为在更大载荷下的磨粒磨损+疲劳磨损 图4c 为10%Ti (C,N)/Fe 在50N 载荷下的磨损表面,可以看出表面滑痕和犁沟较浅,有粒状物质存在,随着载荷的增加,犁沟加深加宽,粒状物质增多,当载荷增加到120N 时(图4d),10%T i(C,N)/Fe 试样表面犁沟宽而深,粘着切削现象严重,出现较多凹坑 所以,改变载荷大小,10%T i(C,N)/Fe 的磨损机理从小载荷下主要为磨粒磨损,逐渐转化为黏着磨损+磨粒磨损为主
图4 不同载荷下两种铁基复合材料的磨损形貌
Fig.4 Morphology of worn surface of di fferent iron m atri x composites
(a) 10%T iC/Fe,50N;(b) 10%T iC/F e,120N;(c) 10%T i(C,N )/F e,50N ;(d) 10%T i(C,N )/Fe,120N
图4的分析可以解释图3中不同载荷下两种材料耐磨性变化的实验事实,当低载荷时,两种材料的磨损机理一致,因此表现出的耐磨性也相近;而高载荷时磨损机理不同,两种材料的耐磨性也出现了明显差别 可见疲劳磨损情况下,铁基复合材料的耐磨性更差
为更深入对材料耐磨性进行分析,笔者选择了有代表性的材料对其进行扫描电镜下微观组织分析,希望能得到更充分、更有说服力的证据 图5为各种颗粒增强铁基复合材料的显微组织图 图5a 中Cr 3C 2颗粒与铁基体结合处有部分微裂纹现象,说明界面脆性强,对材料硬度贡献不大,
但对磨损性能影响较大 主要是因为在磨损过程中,Cr 3C 2颗粒与基体的界面开裂,甚至脱落,导致磨损性能下降,因此Cr 3C 2/Fe 表现出最差的耐磨性 图5b 中SiC/Fe 复合材料中界面不干净,经过研究,部分SiC 颗粒分解,与铁形成硅铁化合物[9],因此SiC/Fe 的耐磨性能不突出 图5c 中TiC 颗粒与基体反应剧烈,界面脆性显著,所以表现出耐磨性也不是很好 图5d 中Ti(C,N )/Fe 显微组织缺陷较少,颗粒清晰可见,与基体结合好,界面干净,是可经受一定变形量的强化粒子,所以耐磨性能最好
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第5期 李 杰等:不同颗粒增强铁基复合材料磨损性能的对比
图5 各种颗粒增强铁基复合材料的显微组织
Fig.5 M icrostructure of iron matrix com pos i tes reinforced by different particles (a) 10%Cr3C2/F e;(b) 10%SiC/Fe;(c) 10%T iC/F e;(d) 10%T i(C,N)/F e
3 结 论
1)提出了分段加热工艺,证实了提高制备质量的作用,采用新工艺制备了SiC/Fe,TiC/Fe, Cr3C2/Fe和Ti(C,N)/Fe复合材料,均表现出很好的耐磨性能,磨损量均是#45钢的15%以下
2)T i(C,N)粒子对改善铁基复合材料磨损性能作用最强,SiC和TiC次之,Cr3C2虽然提高硬度和强度最显著但改善耐磨性效果最差
3)颗粒增强铁基复合材料的耐磨性与材料硬度没有直接对应关系,与基体界面可经受一定变形量的强化粒子,例如T i(C,N)对复合材料耐磨性提高作用最显著
4)复合材料的耐磨性随强化粒子含量的增加而提高,在10%达到最好,继续增加含量对耐磨性没有提高甚至会降低 这与材料拉伸强度的变化规律是一致的
5)陶瓷颗粒增强铁基复合材料表现出高摩擦系数下耐磨性更好的特性,适当控制增强颗粒的种类、含量、尺寸等微观条件,在耐磨材料应用方面显示出巨大前景
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