钢基材料论文：钢基材料制备探究
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本文作者：贺小刚卢德宏陈世敏蒋业华作者单位：昆明理工大学材料科学与工程学院
铸态组织分析
图2a是Al2O3p／40Cr复合材料的宏观形貌照片，在8MPa的压力下复合层的厚度为5～6mm，无铸造缺陷。图2b是MMCs基材的金相照片，主要组织是少量的铁素体和珠光体，组织致密、晶粒细小，无任何缩孔、缩松。图2c是MMCs的宏观界面金相照片，可以看出宏观界面结合良好、过渡自然、基材连续性好，无任何裂纹。避免了粉末冶金、无压浸渗、原位反应制备时所产生的浸渗厚度小、缩孔、缩松等缺陷。从图2d和图2e来看，陶瓷Al2O3颗粒比较均匀地分布于基体中，颗粒呈不规则多边形，钢液全部充满陶瓷孔隙，没发现任何的显微孔洞、裂缝和其他铸造缺陷，从而表明挤压铸造复合材料的组织结构非常致密；Al2O3颗粒与40Cr基体之间的微观界面结合也非常紧密，几乎观察不到化学反应物，这主要是因为在压力的作用下钢液与增强体在高温下接触时间短，以及Al2O3本身所具有的耐腐蚀、抗氧化等特点。这表明机械结合良好。
热处理态组织分析
对Al2O3p／40Cr基复合材料进行了热处理，因为金属基复合材料使用在强烈磨损的工况下，基体需满足一定的硬度要求，一方面提高对硬质颗粒的支撑能力，另一方面也提高自身的硬度和抗磨能力。图3为热处理后基材和复合材料层的金相照片。从图3a和图3b中可以观察到，基体的组织均已完全淬透且为马氏体。在复合层中微观界面处也没有新的物质析出，这说明在热处理过程中，复合层中并未发生任何的界面反应，为机械结合。从图3c中可以看出，宏观界面处的组织呈连续变化，过渡自然。
铸态与热处理态宏观硬度的对比
图4是Al2O3／40Cr基复合材料在铸态与热处理态下沿厚度方向宏观硬度的变化曲线。从曲线可以发现，材料热处理态时的硬度明显比铸态的硬度高，基材的硬度增加明显，然而复合层的的硬度只有稍微的升高，在宏观界面处有一个缓慢的变化过程。铸态时通过混合定律的计算复合层的硬度应该为基材的4倍，然而实测复合层的硬度却为基材的1．5倍。另外，复合层的硬度比基材的高，主要原因与陶瓷颗粒Al2O3的本身特性和它在基体中的强化机制有关。陶瓷Al2O3具有高的比模量、比刚度，高强度，以及耐磨损、抗氧化、耐腐蚀等优良性能，它与基体相结合使复合层的硬度提高［11］。Al2O3的加入，使复合层产生了众多的微观界面，这些界面将阻碍材料中位错的运动，使位错产生塞积，从而使变形抗力增加，其宏观上表现为硬度值提高。热处理态时通过混合定律的计算复合层的硬度应该为基材的2倍，然而实际测得复合层的硬度比基材的硬度低约11．3％。
基材与复合材料层摩擦磨损性能的对比
40Cr基材试样磨损前后质量差为11．73mg，复合层试样磨损前后质量差为0．93mg，根据式（3）计算得复合材料的相对耐磨性为8．7。因此复合材料的耐磨性为40Cr基材的8．7倍，从而表明Al2O3／40Cr基复合材料具有优越的耐磨性能。然而由图4看出，在热处理态时复合层的硬度并没有基材的硬度高，但是耐磨性却相反，从而说明硬度并不是衡量复合材料耐磨性的唯一指标。图5为40Cr基材磨损表面形貌。图6为复合材料磨损表面形貌。从图5中可以观察到磨损表面光滑，在局部存在一定的疲劳撕裂现象。这是因为40Cr基材的微凸体在300N的试验压力和剪切力作用下发生了大塑性变形，然后在摩擦磨损的过程中逐渐趋于光滑。同时，局部也发生了一定的氧化，经粘着和疲劳磨损，最后导致一些微凸体发生了撕裂和脱落。图540Cr基材磨损表面形貌SEM照片图6复合层磨损表面形貌SEM照片从图6中可以看出，陶瓷Al2O3颗粒从基体中凸出，但它仍与基体有很好的结合，没有脱落。这是因为试样表面经过一个磨合期后，由于颗粒与40Cr基体硬度上的差异，在磨损的过程中Al2O3颗粒比基体耐磨，所以逐渐高出基体表面。在基体表面上可见一条条相互平行的小沟漕，没有疲劳撕裂现象。这表明，由于Al2O3颗粒凸出于基体表面，承受了来自对偶表面的主要载荷与磨损，保护了基体，所以基体的塑性变形和疲劳撕裂被抑制，从而主要呈现轻微的磨料磨损，所以复合材料的耐磨性比40Cr基材的耐磨性提高。
结论
（1）在挤压铸造模具内表面制备较厚的陶瓷保温涂层，在8MPa的比压下，成功制备了6mm厚，Al2O3体积分数为56％的Al2O3／40Cr基复合材料。（2）所制备的Al2O3／40Cr复合材料组织致密、晶粒细小；基材和复合材料层（宏观界面）过渡自然、连续性好，颗粒和基体的微观界面结合紧密。（3）在铸态下复合材料的硬度比基材的硬度高出约50％；但在热处理态下，复合材料的硬度反而比基材的硬度低11．3％。（4）在常温干摩擦条件下，复合材料的耐磨性为40Cr基材的8．7倍，表明挤压铸造制备的Al2O3p／40Cr基复合材料具有优异的耐磨性能。
