泡沫陶瓷增强钢基复合材料的制备与性能研究

作者:李菊; 刊名:铸造 上传者:刘珂珂

【摘要】采用实型铸造法制备了Al2O3泡沫陶瓷增强45#钢基复合材料.利用SEM观察复合材料的显微组织和冲击断口形貌,研究了复合材料的硬度和耐磨性.结果表明,复合材料界面结合较好,是典型的机械结合.复合材料的冲击韧性值低于钢基体,而硬度为钢基体的2~3倍;复合材料的相对耐磨性明显高于钢基体,在冲击功为0.5 J和1.0 J时,复合材料的相对耐磨性分别提高了1.41倍和2.33倍.

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陶瓷颗粒增强钢基复合材料因其优异的耐磨性、抗氧化性、耐高温性能及较低的制造成本,在高温、耐磨与耐蚀等恶劣工况条件下得到了广泛的应用。目前,国内外研究陶瓷颗粒增强钢基复合材料主要利用WC、SiC、TiC等少数碳化物增强相,其制备成本较高[1-3]。相比之下,选用熔点高硬度高耐磨性能好抗氧化性能好的Al2O3泡沫陶瓷作为增强体,钢与泡沫陶瓷三维空间相互贯通形成复合材料[4]。该复合材料制造成本低,且具有优异的高温耐磨性能。多采用粉末冶金、无压浸渗、原位反应和挤压铸造来制备钢基复合材料[5]。但钢基体与陶瓷界面润湿性差、热性能和密度差异大等特点,在制备过程中,存在浸渗厚度小、效率低、缺陷多、力学性能差、成本高等问题[6]。 本文采用有机泡沫浸渍法制备Al2O3泡沫陶瓷,然后采用化学镀铜法处理陶瓷表面以增加其与钢基体的润湿性,最后采用实型铸造法制备了钢基复合材料,开发出具有良好强韧性和高的抗磨损性能的新型金属基复合材料[7]。 1试验方法 1.1陶瓷的制备 陶瓷的孔径尺寸分别为10ppi、15ppi。从图1可见,所制备A12O3泡沫陶瓷的网孔大小和骨架中孔筋的直径都非常均匀,没有堵孔现象,这主要是有机前驱体浸渍法工艺特点决定的。 1.2复合材料的制备 采用实型铸造法制备复合材料,首先在500kg的 中频电炉中熔炼45#钢。在钢液出炉前半小时加入0.2%的铝脱氧,并分析钢液的化学成分(表1)。用热电偶测量钢液的温度,当温度达到1700时出炉。在温度降至1650~1680时开始浇注,浇注前5min启动真空泵抽负压,直至浇注完成后5min停止,试验压力为-0.03~0.05MPa。试验主要工艺参数见表2。 试样编号陶瓷表面处理陶瓷孔径/ppi浇注温度/浇注压力/MPa 3#1650-0.035#超声波101680-0.037#化学镀铜151680-0.0388#超声波101680-0.0389#超声波151680-0.040注:3#为45#钢。 2组织观察及性能分析 2.1形貌及硬度 选用Siriono200扫描电子显微镜观察复合材料的微观组织和冲击断口形貌。试验选用HRS-150型洛氏硬度仪测试基体和复合材料的硬度。每个试样取5个试验点,结果取平均值。 2.2冲击韧性及耐磨性 选用JB30A型冲击实验机测试复合材料和基体的冲击值,试样无缺口,尺寸为10mm10mm55mm,每组5个试样,取平均值。 试验选用MDL-10型动载磨料磨损实验机。上试样尺寸为10mm10mm30mm,在长度方向的一端加工成半径25mm的圆柱面;下试样为圆环形对磨试样,厚度为15mm,外圆直径为50mm,内圆直径为30mm。 下试样采用45#钢,经840水淬,300回火处理,硬度HRC44~46。冲锤质量为10kg,上试样冲击频率为100次/min,下试样转速为200r/min;磨料为粒度0.85mm的棕刚玉,磨料流量为2.32kg/h。 3试验结果与分析 3.1显微组织 图2为7#试样复合材料的SEM形貌图。由图2a可见,界面结合较好,没有明显的过渡区,也没有缩孔、气孔和缩松等缺陷出现。图2b是复合材料陶瓷区域的微观形貌,陶瓷组织均匀,陶瓷体结合紧密,在高温压力成形时没有产生裂纹,说明此工艺适合制备钢基 复合材料。 图3为不同试样冲击试验后的断口形貌。图3a为5#试样复合材料的断口形貌,其中白色区域为陶瓷体,黑色的为钢基体,断口上有大量的二次裂纹。这是因为金属陶瓷润湿性差,界面结合强度不高,在受到外力冲击时,易于在界面产生裂纹,裂纹沿着金属陶瓷的界面扩展,产生断裂,断口为脆性断口。

参考文献

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