分享：铁包覆氧化锆增韧氧化铝颗粒增强高铬铸铁复合材料的冲击性能

0.   引言

高铬铸铁基复合材料主要用于制造破碎机锤头等服役于高冲击载荷工况下的工件,其冲击韧性是研究人员关注的重点。向金属材料中添加氧化锆增韧氧化铝颗粒（ZTAp）可以大大提升材料的耐磨料磨损性和冲击韧性,这得益于ZTAp具有较高的硬度和强度,在金属基体中均匀分布时,能够显著提高整体硬度和强度[1-13]。ZTAp增强金属基复合材料的冲击性能和基体与颗粒间的界面结合性能紧密相关,界面结合性能越好,冲击韧性越强[14]。 

已有研究表明,通过固滴法[15]、化学镀和真空烧结[16-17]等方法将钛、镍、锰和钼等包覆或沉积在ZTAp表面,可以改善ZTAp颗粒与铁基金属的润湿性,提高界面结合性能,从而增强复合材料的冲击韧性。但上述工艺复杂,成本高,不利于批量生产。价格低廉的还原铁粉作为界面润湿剂包覆在ZTAp表面可以提高其与高锰钢间的铸渗效果,形成紧密结合的界面[18]。基于此,作者采用易于批量生产的铸渗工艺制备了铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料,研究了该复合材料的微观形貌、微区成分和冲击性能,以期为改善颗粒增强高铬铸铁复合材料的界面结合性能,提高其冲击韧性,降低其生产成本提供参考。 

1.   试样制备与试验方法

复合材料中的基体材料为高铬铸铁,化学成分（质量分数/%）为4.215C,0.322Si,0.743Mn,14.755Cr,0.026P,0.010S,余Fe；增强相材料为形状不规则、粒径在1.5~2.5 mm的ZTAp,纯度为99.9%,由湖南精城特种陶瓷有限公司提供,密度为3.5 g·cm−3；黏结剂为钠水玻璃（Na2O·SiO2）,纯度为99.9%,由桐乡市恒立化工股份有限公司提供；界面活性剂为呈不规则片层状（见图1）、粒径在0.048~0.106 mm的铁粉,纯度为99.9%,由清河县拓普金属材料有限公司提供。 

图  1  铁粉的微观形貌

Figure  1.  Micromorphology of iron powder

将9 g铁粉,1.9 mL Na2O·SiO2和7 g ZTAP充分搅拌均匀后,填充至金属模具中,采用DY-20T型粉末压片机在12 MPa压力下压制成9 mm×9 mm×55 mm的预制体,室温自然干燥12 h。采用消失模铸造法制备复合材料,将预制体嵌入聚苯乙烯泡沫消失模中心位置,组装模型得到模型簇,表面刷涂水基耐火涂料,200 ℃干燥后,将高铬铸铁重熔为铁液并进行浇涛,温度为1 680 ℃,最终制得尺寸为20 mm×20 mm×65 mm的铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料。将铸态复合材料在SG-XL1400型箱式炉中进行如图2所示的热处理,先淬火后回火。 

图  2  热处理工艺曲线

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

根据GB/T 13298—2015制取金相试样,经磨削和1 g NaOH + 35 g K3Fe（CN）6 + 150 mL H2O混合溶液侵蚀后,采用JCM-7000型扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌,用附带的能谱仪（EDS）分析微区成分。根据GB/T 229—2020,线切割制取尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样,采用EL0033型摆锤式冲击试验机测试冲击性能,冲击能量为300 J,摆锤锤刃刀口半径为2 mm,测3组试样取平均值,并观察冲击断口宏观形貌和微观形貌。 

2.   试验结果与讨论

2.1   微观形貌和微区成分

由图3可见：无铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料中的ZTAp增强相与高铬铸铁基体之间存在界面间隙,且在制样过程中出现材料表层脱落,说明ZTAP对高铬铸铁液的润湿性较差,在浇注时阻碍铁液流动,致使界面结合力较弱；铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料中的增强相嵌入在基体中,界面处无空洞、脱黏和分层等明显缺陷,这说明表面包覆铁可以有效改善ZTAp增强相和高铬铸铁基体的润湿性,使其界面结合良好。 

图  3  无铁包覆和铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料的微观形貌

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

由图4可见：铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料中ZTAP与高铬铸铁之间存在厚度15~30 μm的连续界面层,界面层富集着硅、铁、钠、氧、碳、锰和铝元素。富集元素之间可能发生了化学反应,形成新的化合物,且钠水玻璃中的钠、硅和氧元素主要富集于界面处,未向基体或增强相区域扩散。铁包覆层与高铬铸铁液有更好的相容性,ZTAP表面包覆铁后与高铬铸铁的润湿性得到改善,使高铬铸铁液在高温下聚集并包围在ZTAP表面；此外,扩散到界面层的元素之间产生物化反应形成界面层,界面反应和元素扩散共同改善了ZTAP与高铬铸铁间的界面结合性能。 

图  4  铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料的元素面扫描位置和扫描结果

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   冲击性能和断口形貌

试验测得,铁包覆和无铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料的冲击韧度分别为2.1,0.5 J·cm−2,包覆铁后冲击韧度提升至原来的4.2倍。由图5可见：无铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料冲击试验后发生了拔出失效,而铁包覆ZTAp后则发生颗粒断裂失效,这是因为铁包覆ZTAp后复合材料的界面结合性能更好。由图6可见：铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料冲击断口处基体区出现大量撕裂棱,单个光滑解理面面积较小,断裂机制为准解理性断裂；界面层局部存在韧窝、撕裂棱等断裂特征。这是因为界面层中富集的元素间会发生互溶、扩散或化学反应等,形成Al-Mn金属化合物等具有一定韧性的产物[8],从而提高了界面结合强度,使复合材料受到冲击时吸收更多冲击功,提升了冲击韧性。 

图  5  无铁包覆和铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料的冲击断口宏观形貌

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

图  6  铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料的冲击断口微观形貌

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.   结论

（1）铁包覆氧化锆增韧氧化铝颗粒（ZTAp）增强高铬铸铁复合材料中的ZTAp增强相嵌在高铬铸铁基体中,界面处无空洞、脱黏和分层等明显缺陷,界面结合良好；而无铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料中的ZTAp与高铬铸铁间存在界面间隙,在制样过程中发生表层脱落。 

（2）铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料的ZTAP与高铬铸铁之间存在连续的厚度在15~30 μm的界面层,可以提升界面结合性能。 

（3）铁包覆ZTAp增强高铬铸铁复合材料的冲击韧度（2.1 J·cm−2）为无铁包覆时（0.5 J·cm−2）的4.2倍,失效方式由拔出失效转变为颗粒断裂失效,基体区断裂机制为准解理性断裂,界面层局部存在韧窝、撕裂棱等断裂特征。

文章来源——材料与测试网