0.   引言

高鉻鑄鐵基復合材料主要用于制造破碎機錘頭等服役于高沖擊載荷工況下的工件,其沖擊韌性是研究人員關注的重點。向金屬材料中添加氧化鋯增韌氧化鋁顆粒（ZTAp）可以大大提升材料的耐磨料磨損性和沖擊韌性,這得益于ZTAp具有較高的硬度和強度,在金屬基體中均勻分布時,能夠顯著提高整體硬度和強度[1-13]。ZTAp增強金屬基復合材料的沖擊性能和基體與顆粒間的界面結合性能緊密相關,界面結合性能越好,沖擊韌性越強[14]。 

已有研究表明,通過固滴法[15]、化學鍍和真空燒結[16-17]等方法將鈦、鎳、錳和鉬等包覆或沉積在ZTAp表面,可以改善ZTAp顆粒與鐵基金屬的潤濕性,提高界面結合性能,從而增強復合材料的沖擊韌性。但上述工藝復雜,成本高,不利于批量生產。價格低廉的還原鐵粉作為界面潤濕劑包覆在ZTAp表面可以提高其與高錳鋼間的鑄滲效果,形成緊密結合的界面[18]。基于此,作者采用易于批量生產的鑄滲工藝制備了鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料,研究了該復合材料的微觀形貌、微區成分和沖擊性能,以期為改善顆粒增強高鉻鑄鐵復合材料的界面結合性能,提高其沖擊韌性,降低其生產成本提供參考。 

1.   試樣制備與試驗方法

復合材料中的基體材料為高鉻鑄鐵,化學成分（質量分數/%）為4.215C,0.322Si,0.743Mn,14.755Cr,0.026P,0.010S,余Fe；增強相材料為形狀不規則、粒徑在1.5~2.5 mm的ZTAp,純度為99.9%,由湖南精城特種陶瓷有限公司提供,密度為3.5 g·cm−3；黏結劑為鈉水玻璃（Na2O·SiO2）,純度為99.9%,由桐鄉市恒立化工股份有限公司提供；界面活性劑為呈不規則片層狀（見圖1）、粒徑在0.048~0.106 mm的鐵粉,純度為99.9%,由清河縣拓普金屬材料有限公司提供。 

圖  1  鐵粉的微觀形貌

Figure  1.  Micromorphology of iron powder

將9 g鐵粉,1.9 mL Na2O·SiO2和7 g ZTAP充分攪拌均勻后,填充至金屬模具中,采用DY-20T型粉末壓片機在12 MPa壓力下壓制成9 mm×9 mm×55 mm的預制體,室溫自然干燥12 h。采用消失模鑄造法制備復合材料,將預制體嵌入聚苯乙烯泡沫消失模中心位置,組裝模型得到模型簇,表面刷涂水基耐火涂料,200 ℃干燥后,將高鉻鑄鐵重熔為鐵液并進行澆濤,溫度為1 680 ℃,最終制得尺寸為20 mm×20 mm×65 mm的鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料。將鑄態復合材料在SG-XL1400型箱式爐中進行如圖2所示的熱處理,先淬火后回火。 

圖  2  熱處理工藝曲線

Figure  2.  Heat treatment process curve: (a) quench and (b) tempering

根據GB/T 13298—2015制取金相試樣,經磨削和1 g NaOH + 35 g K3Fe（CN）6 + 150 mL H2O混合溶液侵蝕后,采用JCM-7000型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀形貌,用附帶的能譜儀（EDS）分析微區成分。根據GB/T 229—2020,線切割制取尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣,采用EL0033型擺錘式沖擊試驗機測試沖擊性能,沖擊能量為300 J,擺錘錘刃刀口半徑為2 mm,測3組試樣取平均值,并觀察沖擊斷口宏觀形貌和微觀形貌。 

2.   試驗結果與討論

2.1   微觀形貌和微區成分

由圖3可見：無鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料中的ZTAp增強相與高鉻鑄鐵基體之間存在界面間隙,且在制樣過程中出現材料表層脫落,說明ZTAP對高鉻鑄鐵液的潤濕性較差,在澆注時阻礙鐵液流動,致使界面結合力較弱；鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料中的增強相嵌入在基體中,界面處無空洞、脫黏和分層等明顯缺陷,這說明表面包覆鐵可以有效改善ZTAp增強相和高鉻鑄鐵基體的潤濕性,使其界面結合良好。 

圖  3  無鐵包覆和鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料的微觀形貌

Figure  3.  Micromorphology of high chromium cast iron composite reinforced by ZTAp without (a) and with (b) iron coating

由圖4可見：鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料中ZTAP與高鉻鑄鐵之間存在厚度15~30 μm的連續界面層,界面層富集著硅、鐵、鈉、氧、碳、錳和鋁元素。富集元素之間可能發生了化學反應,形成新的化合物,且鈉水玻璃中的鈉、硅和氧元素主要富集于界面處,未向基體或增強相區域擴散。鐵包覆層與高鉻鑄鐵液有更好的相容性,ZTAP表面包覆鐵后與高鉻鑄鐵的潤濕性得到改善,使高鉻鑄鐵液在高溫下聚集并包圍在ZTAP表面；此外,擴散到界面層的元素之間產生物化反應形成界面層,界面反應和元素擴散共同改善了ZTAP與高鉻鑄鐵間的界面結合性能。 

圖  4  鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料的元素面掃描位置和掃描結果

Figure  4.  Elemental surface scanning position (a) and results (b–j) of high chromium cast iron composite reinforced by ZTAp with iron coating

2.2   沖擊性能和斷口形貌

試驗測得,鐵包覆和無鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料的沖擊韌度分別為2.1,0.5 J·cm−2,包覆鐵后沖擊韌度提升至原來的4.2倍。由圖5可見：無鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料沖擊試驗后發生了拔出失效,而鐵包覆ZTAp后則發生顆粒斷裂失效,這是因為鐵包覆ZTAp后復合材料的界面結合性能更好。由圖6可見：鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料沖擊斷口處基體區出現大量撕裂棱,單個光滑解理面面積較小,斷裂機制為準解理性斷裂；界面層局部存在韌窩、撕裂棱等斷裂特征。這是因為界面層中富集的元素間會發生互溶、擴散或化學反應等,形成Al-Mn金屬化合物等具有一定韌性的產物[8],從而提高了界面結合強度,使復合材料受到沖擊時吸收更多沖擊功,提升了沖擊韌性。 

圖  5  無鐵包覆和鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料的沖擊斷口宏觀形貌

Figure  5.  Impact fracture macromorphology of high chromium cast iron composite reinforced by ZTAp without (a) and with (b) iron coating

圖  6  鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料的沖擊斷口微觀形貌

Figure  6.  Impact fracture micromorphology of high chromium cast iron composite reinforced by ZTAp with iron coating: (a) at low magnification and (b) at high magnification

3.   結論

（1）鐵包覆氧化鋯增韌氧化鋁顆粒（ZTAp）增強高鉻鑄鐵復合材料中的ZTAp增強相嵌在高鉻鑄鐵基體中,界面處無空洞、脫黏和分層等明顯缺陷,界面結合良好；而無鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料中的ZTAp與高鉻鑄鐵間存在界面間隙,在制樣過程中發生表層脫落。 

（2）鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料的ZTAP與高鉻鑄鐵之間存在連續的厚度在15~30 μm的界面層,可以提升界面結合性能。 

（3）鐵包覆ZTAp增強高鉻鑄鐵復合材料的沖擊韌度（2.1 J·cm−2）為無鐵包覆時（0.5 J·cm−2）的4.2倍,失效方式由拔出失效轉變為顆粒斷裂失效,基體區斷裂機制為準解理性斷裂,界面層局部存在韌窩、撕裂棱等斷裂特征。

文章來源——材料與測試網