TiC颗粒增强钢基表面复合材料的组织均匀性_中国粉体网.pdf

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1、书书书第31卷第4期2 0 1 0 年4 月材料热处理学报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.3 1No.4April2 0 1 0TiC 颗粒增强钢基表面复合材料的组织均匀性李祖来，蒋业华，羊浩，周荣(昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明650093)摘要:为了优化自生 TiC 颗粒增强钢基表面复合材料的工艺参数，利用真空实型铸渗方法制备了自生 TiC 颗粒增强钢基表面复合材料，重点研究了自生 TiC 颗粒增强钢基表面复合材料的组织均匀性。结果表明，从基材和复合层间的界面到复合层表面，TiC 颗粒尺寸逐渐增大，圆整度逐渐变差，

2、其中 Ti-C-20 wt%Fe 体系复合层中 TiC 颗粒的尺寸增长量(由 1 m 增长到 2 3 m)明显小于 Ti-C 体系(由 1 2 m 增长到约 10 m)。与 Ti-C 体系相比，Ti-C-20 wt%Fe 体系制备得到的复合层中元素分布、硬度和 TiC 颗粒的体积分数较均匀，在复合层相同位置上 TiC 颗粒较小，圆整度较好。关键词:表面复合材料;自生 TiC 颗粒;组织均匀性;真空实型铸渗中图分类号:TB331文献标志码:A文章编号:1009-6264(2010)04-0001-05Structure homogeneity of in-situ TiC particles r

3、einforcedsteel-based composite materialsLI Zu-lai，JIANG Ye-hua，YANG Hao，ZHOU Rong(Faculty of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China)Abstract:In order to optimize the processing parameters of TiC/Fe composite materials，in-situ TiC particle

4、reinforced steel-basedcomposite coatings were prepared by vacuum evaporative pattern casting(V-EPC)infiltration process，and the structure homogeneity of thecomposite materials were investigated.The results show that the size of TiC particles increases and the spheroidization degree decreasesfrom int

5、erface of composite layer and the steel substrate to surface of the composite layer.The size of TiC particles in the composite layerfor Ti-C-20 wt%Fe system(1 m to 2 3 m)is smaller than that for the Ti-C system(from 1 2 m to 10 m).The distribution of Tiand Fe element，volume fraction of TiC particles

6、 and hardness are more homogeneous in the composite layer for Ti-C-20 wt%Fe system.Compared with Ti-C system，a finer size and higher degree of spheroidization of TiC particles in the composite layer can be obtained for Ti-C-20 wt%Fe system.Key words:surface composite materials;in-situ TiC particle;s

7、tructure homogeneity;vacuum evaporative pattern casting(V-EPC)infiltration收稿日期:2009-04-29;修订日期:2010-02-03基金项目:国家自然科学基金项目(50871048);教育部科学技术研究重点项目(208130);云南省教育厅基金项目(07y40602)作者简介:李祖来(1977)，副教授，博士，主要从事耐磨材料及复合材料方面的研究，E-mail:lizulai 。通讯作者:蒋业华，E-mail:jiangyehua 。自蔓延高温合成(SHS)铸渗法是近年来发展起来的一种制备金属基表面复合材料的新方法。

8、它将SHS 涂层技术与铸渗工艺结合，用铸渗的方法引燃SHS 反应，使在金属表面能够形成原位合成的金属 陶瓷涂层 1-4。该工艺将传统的铸造技术和材料表面复合强化技术相结合，一次成型，在铸造过程中，充分利用了浇注及凝固时所产生的余热，不仅能够降低能耗、简化工序，还能够实现表面合金化，提高铸件的耐磨、耐热、耐蚀等性能。这种方法不需要专用的处理设备，具有操作简单、生产周期短、成本低等优点。目前，在 SHS 铸渗方面的研究主要集中在普通铸渗、离心铸渗等方面 5-6，对真空实型铸渗(V-EPC)自蔓延反应涂层研究较少 7。本文借助自蔓延高温合成(SHS)的机理，利用真空实型铸渗(V-EPC)方法制备自生

9、 TiC 颗粒增强钢基表面复合材料，研究 Ti-C和 Ti-C-Fe 两种体系制备得到的复合层中自生颗粒圆整度、大小和分布，讨论 Ti、Fe 两种元素在复合层中的均匀性，对复合层进行显微硬度测试，为该类复合材料的工艺参数优化和实际应用提供依据。1试验材料及方法基材选择为 45 钢，自蔓延高温合成(SHS)反应体系选择 Ti-C-xFe 系统，利用真空实型铸造过程中材料热处理学报第 31 卷的金属液渗透作用和传递的热量点燃反应，使得体系中的钛和碳原位生成 TiC 增强颗粒，最终形成 TiC 颗粒增强钢基表面复合材料。该表面复合材料的具体制备过程主要包括以下几个步骤:1)预制块的制备:预制块由钛粉

10、、碳粉和钢粉组成，其尺寸分别为 300、400 和 100 目，纯度分别为99.0%、97.1%和95.0%，按照各粉末的不同质量配比(质量比为 80 20 的钛粉和碳粉;质量比为 64 16 20 的钛粉、碳粉和钢粉)在球磨机上混和6 h，然后利用自制模具压制预制块，预制块的致密度为 55%，尺寸为 30 mm 4 mm;2)汽化模的制备:EPS 泡沫模样尺寸为 30 mm 50 mm，内浇道为 15mm 15 mm 30 mm，直浇道为 30 mm 30 mm 140mm;3)预制块的预置和涂料的涂挂:用 3 wt%的聚乙烯醇(PVA)水溶液作为粘结剂将预制块粘贴在泡沫模样上，涂挂消失模专

11、用耐火涂料，然后放入 50 烘箱中烘烤 2 h，待全部烘干后，粘结浇注系统;4)造型、浇注:采用 40 70 目石英砂干砂造型，抽真空浇注，浇注温度为 1650 ，浇注前、后的真空度分别为0.066 MPa、0.060 MPa;5)冷却清砂。利用扫描电镜观察自生 TiC 颗粒的分布，对复合层不同位置进行 EDS 能谱分析。采用 HVS-1000A 型硬度计进行维氏硬度测试。2试验结果及讨论2.1两种反应体系自生 TiC 颗粒的形状和尺寸图 1 为 Ti-C 与 Ti-C-20 wt%Fe 两种体系复合层不同位置的组织(复合层厚度为 4 mm，从距基材与复合层的界面 0.5 mm 处至复合层表面

12、每隔 1 mm 为一位置)，可以看出在两种体系制备的复合层中，从界面到复合层表面，TiC 颗粒的尺寸呈增大趋势，圆整度逐渐变差。对于 Ti-C 体系，在靠近界面的 TiC 颗粒(图 1(a)比较细小，大部分颗粒尺寸为 1 2 m，复合层中部的 TiC 颗粒(图 1c、e)尺寸有较大变化，大部分颗粒在 5 m 左右，在复合层表面的 TiC 颗粒尺寸(图 1g)则更大，部分 TiC 颗粒尺寸能达到 10m 左右。此外，颗粒圆整度也有很大变化，在靠近界面处呈细小圆球状，中层开始出现边角，呈不规则形状，在复合层表面呈多棱角、不规则形状，圆整度较差。对于 Ti-C-20 wt%Fe 体系，靠近界面的 T

13、iC 颗粒细小(图 1b)，大部分 TiC 颗粒只有 1 m 左右，有的颗粒更加细小。在复合层中部 TiC 颗粒(图 1d、1f)的尺寸有所增加(约 2 m)，而从中部到复合层表面，其尺寸并没有较大增长，TiC 颗粒(图 1h)尺寸也只有 2 3 m。在靠近界面处和复合层中部，自生 TiC颗粒呈光滑的圆球状，而在复合层的表面有部分颗粒呈现出尖角和棱边。由以上分析可知，两种体系 TiC 颗粒形貌的变化趋势基本一致，但仍存在一些差异，主要有以下三个方面:1)在复合层相同位置，Ti-C-20 wt%Fe 体系的TiC 颗粒要比 Ti-C 体系细小的多;2)Ti-C-20 wt%Fe体系复合层中 Ti

14、C 颗粒的尺寸增长量(由 1 m 增长到 2 3 m)明显小于 Ti-C 体系(由 1 2 m 增长到约 10 m);3)从整体上看，Ti-C-20 wt%Fe 体系得到的 TiC 颗粒较 Ti-C 体系圆整。在自生颗粒的产生过程中，自蔓延体系的碳热反应 Ti+CTiC 是复合层形成的主要热源。在同一反应体系中，复合层各部分发生自蔓延反应所释放热量的能力相当，由此自生 TiC 颗粒的长大程度应该也相差不大，但试验结果表明处于复合层不同位置的 TiC颗粒的尺寸和形貌却大不相同，这是因为在复合层形成的过程中，母液(45 钢)在负压的作用下，渗入预制层中，包围在 Ti、C 元素周围减弱其相互扩散的能

15、力，颗粒生长的阻力加大，颗粒变的细小而圆整。从界面到复合层表面，母液的铸渗能力逐渐减弱，进入复合层母液的量也逐渐减少，复合层表面的 TiC 颗粒在长大过程中受到母液的约束较界面附近小，尺寸较大，而且多棱角，而进入界面附近的母液较多，TiC 颗粒受到母液的约束力较大，所以尺寸较小，而且比较圆整。对于 Ti-C-20 wt%Fe 体系，预制块中事先加入的20 wt%钢粉被高温熔化后进入复合层与母液熔合，降低了钢液在复合层中的质量梯度，所以从界面到复合层表面，自生 TiC 颗粒的尺寸变化较小。而用 Ti-C体系制备的复合层，其中的钢液完全依靠母液的铸渗，在整个复合层中钢液的铸渗能力由内到外逐渐减弱，

16、质量梯度较大，所以自生 TiC 颗粒尺寸的变化也较大。两种体系得到的 TiC 颗粒之所以有如此大的差异，究其原因，是因为预制块中钢粉在复合层的形成过程中，起到了稀释剂的作用。有研究指出 8，随着稀释剂(为钢粉)含量的增加，SHS 反应生成的颗粒相尺寸随之减小，而且都呈球状。Ti-C 体系制备表面复合材料时，反应体系中没有钢粉的参与，整个体系的反应温度高，停留在液态的时间长，Ti 能充分扩散，有利于 TiC 的充分生长。相反，在 Ti-C-20 wt%Fe2第 4 期李祖来等:TiC 颗粒增强钢基表面复合材料的组织均匀性图 1两种反应体系复合层不同区域的组织(a)Ti-C 体系距界面 0.5 m

17、m 处;(b)Ti-C-20 wt%Fe 体系距界面 0.5 mm 处;(c)Ti-C 体系距界面 1.5 mm 处;(d)Ti-C-20 wt%Fe 体系距界面 1.5 mm 处;(e)Ti-C 体系距界面 2.5 mm 处;(f)Ti-C-20 wt%Fe 体系距界面 2.5 mm 处;(g)Ti-C 体系距界面 3.5 mm 处;(h)Ti-C-20 wt%Fe 体系距界面 3.5 mm 处Fig.1Microstructure of different regions in the composite layer for two reaction systems(a)0.5 mm fr

18、om the interface for in Ti-Csystem;(b)0.5 mm from the interface for Ti-C-20 wt%Fe system;(c)1.5 mm from the interface for Ti-C system;(d)1.5 mmfrom the interface for Ti-C-20 wt%Fe system;(e)2.5 mm from the interface for Ti-C system;(f)2.5 mm from the interface forTi-C-20 wt%Fe system;(g)3.5 mm from

19、the interface for Ti-C system;(h)3.5 mm from the interface for Ti-C-20 wt%Fe system3材料热处理学报第 31 卷体系中加入了质量分数为 20 wt%的钢粉，钛粉与碳粉含量减小，体系的反应温度降低，TiC 生长不充分，颗粒尺寸小，此外，在复合层形成初期，钢粉开始熔化，包围在 Ti 元素周围消弱其向外扩散，TiC 颗粒的长大约束力增大，从而进一步降低了 TiC 颗粒的尺寸。综上所述，自生 TiC 颗粒表面复合材料的制备过程中，加入适量的钢粉，能明显细化自生 TiC 颗粒，改善其圆整程度，减小处于复合层中不同位置的 T

20、iC 颗粒的大小起伏，提高颗粒的大小均匀性。2.2两种反应体系中复合层元素均匀性对比为考察复合层中各元素的均匀性，在两种复合层中从距界面 0.5 mm 处至表面每隔 1 mm(复合层厚度为 4 mm)取 50 m 宽的区域进行 EDS 分析，共取 4点。通过对每个区域的能谱分析，得出 Fe、Ti 两种元素在复合层中质量分数的变化，结果见图 2，得出在两种体系下，从复合层与基材间界面到复合层表面，Ti 元素逐渐升高，Fe 元素逐渐降低。这是因为，压制后的预制块中存在大量孔隙，在负压铸渗过程中，母液对钛粉的冲击力和母液自身铸渗能力的变化，造成了元素的不均匀性。由图 2 还可以看出，在两种体系中曲线

21、变化斜率都是先大后小，Ti-C 体系制备得到的复合层中的 Ti、Fe 元素的变化梯度较 Ti-C-20 wt%Fe 体系大。在两种反应体系下制备表面复合材料时，与母液最先接触的预制块内表面受到母液的冲击力较大，表面容易发生溃散，Fe 的含量很高而 Ti 元素的含量很低，从预制块内表面向外表面受到母液的冲击逐渐减小，所以在图 2 的曲线中表现为在开始阶段的曲线斜率较大。在 Ti-C-20 wt%Fe 反应体系复合层的形成过程中，高温母液点燃 Ti+CTiC 碳热反应放出热量熔化预制块中的钢粉，填充预制块中的孔隙，减弱母液的铸渗能力，降低了 Fe 元素的变化梯度，同时对其周围的 Ti起到固定的作用

22、，减缓了母液对预制块的冲击，降低了 Ti 元素的变化梯度。而 Ti-C 体系制备复合层时，母液在渗入预制块时受到的阻力较小，复合层中元素含量主要取决于母液的铸渗能力，所以 Fe、Ti 两种元素的变化梯度均较大。综上可得，Ti-C-20 wt%Fe 体系复合层中元素分布较 Ti-C 体系均匀，在预制块中加入适量钢粉可以有效地降低复合层中 Fe、Ti 元素的分布梯度，减小复合层中各处力学性能的差异。2.3两种反应体系复合层中 TiC 颗粒分布均匀性使用金相处理软件对 Ti-C 与 Ti-C-20 wt%Fe 两种体系复合层不同位置的组织(图 1)中 TiC 颗粒体图 2两种体系复合层内 Fe 和

23、Ti 元素的变化曲线Fig.2Distribution of Fe and Ti in the compositelayer of two reaction systems积分数进行分析，结果见图 3 所示。由图 3 可得，两种体系复合层中 TiC 颗粒的体积分数变化规律基本一致，即从复合层与基材间界面到复合层表面，TiC颗粒的体积分数逐渐升高，Ti-C-20 wt%Fe 体系复合层中 TiC 颗粒分布较为均匀，从界面到复合层表面的体积分数变化程度(由 25.8%到 43.5%)较 Ti-C 体系(由 12.3%到 67.7%)小。分析产生复合层中 TiC 颗粒不均匀现象的原因，在铸渗过程中，

24、钢水对复合层有很强的冲击作用，在Ti-C-20 wt%Fe 体系的预制块中，因为钢粉包围着钛粉，在自生 TiC 的形成过程中，对其有“钉扎”作用，TiC 颗粒在复合层中的移动不明显，分布较均匀。对于 Ti-C 体系，复合层中没有钢粉的“钉扎”，受到母液的冲击较大，而且 Ti-C 体系的预制块在复合层的形成过程中放热量大，处于液态的时间较长，所以 TiC的位移较大，复合层均匀性变差 9-10。图 3两种体系复合层中不同位置的 TiC 颗粒体积分数变化Fig.3The relationship between volume fraction of TiCparticle and distance

25、from interface of thecomposite layer and substrate in the two systems2.4两种反应体系中复合层的硬度变化图 4 为 Ti-C 与 Ti-C-20 wt%Fe 两种体系复合层中不同位置硬度变化曲线，可以看出从复合层与基材间界面到复合层表面，两种材料的硬度均逐渐升高，4第 4 期李祖来等:TiC 颗粒增强钢基表面复合材料的组织均匀性Ti-C-20 wt%Fe 体系复合层硬度变化梯度较 Ti-C 体系小，同一位置上的硬度较 Ti-C 体系低。图 4两种体系复合层不同位置的硬度变化Fig.4Hardness profiles of

26、the composite layerfor Ti-C and Ti-C-20 wt%Fe reaction systems分析其原因，主要是由 TiC 颗粒的体积分数决定的，从界面到复合层表面，TiC 颗粒的体积分数逐渐增大，使得其硬度呈递增趋势。与 Ti-C 体系相比，Ti-C-20 wt%Fe 体系复合层中 TiC 颗粒体积分数较低、体积分数变化梯度较小，从而导致了其硬度较低和硬度变化梯度小的结果，由此也说明了 Ti-C-20 wt%Fe体系复合层硬度分布较均匀。3结论1)从复合层与基材间界面到复合层表面，TiC 颗粒尺寸逐渐增大，圆整度也逐渐变差，其中 Ti-C-20wt%Fe 体系复

27、合层中 TiC 颗粒的尺寸增长量(由 1m 增长到 2 3 m)明显小于 Ti-C 体系(由 1 2m 增长到约 10 m);2)Ti-C-20 wt%Fe 体系 TiC 颗粒在在相同位置上要比 Ti-C 体系细小，圆整度也较好;3)Ti-C-20 wt%Fe 体系制备得到的复合层中元素分布、体积分数、硬度明显要比 Ti-C 体系制备的复合层均匀。参考文献1 王一三，张欣苑，李凤春，等.反应铸造生成 Fe-TiC 梯度表面复合材料的研究J.热加工工艺，1999(4):13 15.WANG Yi-san，ZHANG Xin-yuan，LI Feng-chun，et al.Study on an

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