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(IRT0713)󰀁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)

JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Vol󰀁31,No.5

May2010

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;Ti(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:TG333󰀁󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1005-3026(2010)05-0660-05

ComparativeInvestigationonWearBehaviorofIronMatrix

CompositesReinforcedbyDifferentCeramicParticles

LIJie,ZONGYa-ping,WANGYao-mian,ZHUANGWei-bin

(KeyLaboratoryofAnisotropy&TextureofMaterials,MinistryofEducation,NortheasternUniversity,Shenyang

110004,China.Correspondent:ZONGYa-ping,E-mail:ypzong@mail.neu.edu.cn)

Abstract:Anumberofironmatrixcompositesreinforcedbydifferenttypesofceramicparticles

werepreparedbytheprocessoftwo-stepdynamicelectriccurrentheatingandsectionalhot

pressingtoinvestigatetheeffectsofreinforcingparticlesonthewearbehaviorofthecomposites.

Theresultsshowedthatthewearlossofallthoseironmatrixcompositesislowerthan15%of

thatofthe#45carbonsteelwhichiswidelyusedinChina.TheTi(C,N)particlesfunctionas

thestrongestinfluencingfactoronimprovingthewearabilityinthefourceramicparticlesused,

i.e.,thereinforcedceramicparticleswhichareendurabletoacertaindeformationonthe

interfacesbetweenthemandmatrixaremostbeneficialtoimprovingwearability.Ontheother

hand,thewearabilityofallthosecompositescomeuptotheirmaximumifthevolumefractionof

reinforcingparticlesis10%,andthewearabilitybecomesbetterifthefrictioncoefficientofthe

compositesishigh.Suchfeaturesmakethecompositessuperiorinmanyapplicationfields,suchas

brakemaking.

Keywords:ironmatrixcomposites;wearability;reinforcingparticles;hotpresssintering

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,TiC,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,

TiC,Ti(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MG-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󰀁ComparisonofthepropertiesofSiC/Feproducedbytwodifferentprocesses

(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TiC/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661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TiC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,SiC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Cr3C2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󰀁Performancecomparisonoftheironmatrixcompositeswithdifferentvolumefractionofreinforcingparticles

(a)󰀁硬度;(b)󰀁磨损量󰀁

#1:#45钢;#2:Cr3C2/Fe;#3:SiC/Fe;#4:TiC/Fe;#5:Ti(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%TiC/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

Fig.3󰀁Influenceofloadonthewearbehavioroftwoironmatrixcomposites

(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662东北大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第31卷