一种新型耐磨材料——高熵合金

一种新型耐磨材料—

——高熵合金＊刘　宁，张　艳，秦　亮

（江苏科技大学冶金与材料工程学院，张家港２１５６００

）摘要 介绍了几种新型钢铁耐磨材料的研究现状，以及粉末冶金和表面处理技术在耐磨材料研究中的应用，重点介绍了近几年来出现的高熵合金耐磨材料。提出基于高熵设计理念，结合新型表面处理或粉末冶金技术，研究开发新型耐磨材料的思路。

关键词 耐磨材料　高熵合金　表面处理　粉末冶金

中图分类号：ＴＧ１３２；ＴＧ１４６ 文献标识码：

ＡＡ　Ｎｅｗ　Ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ－Ｈｉｇｈ－ｅｎｔｒｏｐｙ　

ＡｌｌｏｙｓＬＩＵ　Ｎｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ，ＱＩＮ　Ｌｉａｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ　２１５６００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｎｅｗ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　Ｆｅ－ｂａｓｅｄ　ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　

ａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｒｅｃｅｎｔｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｈｉｇｈ－ｅｎｔｒｏｐｙ　ａｌｌｏｙｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｉｇｈ－ｅｎｔｒｏｐｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｓｕｒｆａｃｅ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｒ　ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａ　ｎｅｗ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｈｉｇｈ－ｅｎｔｒｏｐｙ　ａｌｌｏｙｓ，ｓｕｒｆａｃｅ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｐｏｗｄｅｒ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　＊江苏省高校自然科学基金（

０９ＫＪＢ４３０００４）；国家自然科学基金（５１２０１０７２）　刘宁：１９７６年生，博士，主要从事凝固理论和非平衡凝固技术研究　Ｔｅｌ：０５１２－５６７３１５１９　Ｅ－ｍａｉｌ：ｊ

ｋｄｌｎ＠１２６．ｃｏｍ０　引言

随着科技和工业的飞速发展，机械设备的使用寿命已经成为影响生产效率的重要因素。冶金、矿山、电力、煤炭和农机等行业对机械设备的耐磨性能要求很高，根据设备磨损的具体工况和资源情况，

耐磨材料经历了从高锰钢、普通白口铸铁、

镍硬铸铁到高铬铸铁的几个阶段，目前已发展为耐磨钢和耐磨铸铁两大类。近年来又研制出多种新型耐磨材料，主要包括改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列，高、中、低碳耐磨合金钢系列，铬系抗磨白口铸铁系列，锰系、硼系抗磨白口铸铁及马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁，不同方法生产的双金属复合耐磨材料，

表面技术处理的耐磨材料等。随着耐磨材料理论与应用研究的不断深入，涌现出许多新型耐磨金属材料。

本文主要介绍几种新型耐磨材料的研究现状。

１　新型耐磨材料的研究进展

１．１　新型钢铁耐磨材料

高钒高碳钢是近１０年来新出现的一种钢种。高钒高碳钢以钒为主要添加元素，辅以铬、钼等其它合金元素，充分利用钒碳化物（ＶＣ）硬度高、形态好的特点来提高钢材的硬度、韧性及耐磨性。高钒高碳钢中碳化钒有６种基本形态，其中初生碳化钒的形态有３种：团球状、团块状、开花状；共晶碳化钒的形态有３种：

条状、短杆状、蠕虫状。高钒高碳钢中碳化钒石墨形态好，对基体的割裂作用小。高钒耐磨合金的韧性比高铬铸铁高，耐磨性是高铬铸铁的３倍以上，裂纹敏感

性比高铬铸铁低，

性价比也高，具有广阔的推广应用前景［１］

。近年来，以硅为主要合金元素，利用硅在等温转变过程中强烈抑制碳化物析出的特点进行等温淬火，得到由无碳化物贝氏体和被碳、

硅稳定化了的奥氏体组成的奥－贝双相组织。它具有优异的综合力学性能，

即高的强度、硬度以及良好的冲击韧性，是一种在耐磨领域极具研究和开发价值的新

材料［

２］

。同时，高碳高硅铸钢是一种廉价的新型材料，所需添加的合金元素仅为１．５％～３．５％的Ｓｉ

，其它的合金元素很少或根本不需添加，因而具有极高的性价比［

３］

。一种以硼为主要合金元素的高硼铸造耐磨合金，其以高韧性的马氏体为基体，在基体上分布有硬度高、热稳定性好的硼化物，可以确保高硼铸造合金在具有优异强韧性的前提下，

还具有高的硬度和优良的耐磨性。特别是经钛、稀土、氮和镁等变质处理的高硼铸造合金，硼化物呈团球状和颗粒状

分布，材料力学性能和耐磨性明显提高［

４］

。１．２　表面耐磨材料

近年来有学者开展了表面耐磨铸造复合材料的研究，利用陶瓷颗粒的高硬度和高化学稳定性的特点，采用铸渗的方法将其复合于不锈钢或耐热钢部件经受磨损的局部表面，克服了整体复合铸造工艺难度大且会造成材料不必要的浪费

等缺点，获得了很好的抗磨效果［５］

。另外，通过元素之间或

元素与化合物之间的化学反应，

在金属基体内原位生成一种·

９８３·一种新型耐磨材料———高熵合金／刘　宁等

或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金

属基体的目的，也是获得高性能耐磨材料的重要手段［

６］

。此外，采用激光表面重熔技术对球墨铸铁进行表面热处理，得到了既含快速凝固共晶渗碳体又含弥散石墨的新型多相铁

基耐磨材料［

７］

。１．３　粉末冶金耐磨材料

刘芳等采用烧结－熔渗－热处理工艺，研制出了一种由Ｃｏ－

Ｃｒ－Ｍｏ－Ｓｉ颗粒增强的铁基粉末冶金耐磨材料［８］

，使Ｃｏ－Ｃｒ－

Ｍｏ－Ｓｉ硬颗粒单独存在于基体中，起到颗粒强化的作用。未熔渗时，

材料孔洞多，硬颗粒与基体界面清晰可见，结合强度低，材料性能较差。随着熔渗量的增多，材料的孔隙度减小，硬颗粒与基体界面结合强度好，材料性能明显提高。因此，足够的熔渗量可获得各相界面结合较好的一种高性能铁基材料。

另外，在铁基材料中加入ＲＥ、Ｓ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｐ、Ｍｎ等元素，采用粉末冶金方法进行烧结，有利于耐磨性的提高。综合分析表明，Ｆｅ－Ｃ－ＲＥ和Ｆｅ－Ｃ－Ｃｕ－

Ｐ－Ｍｏ粉末冶金材料具有较好的应用价值［

９］

。１．４　高熵合金耐磨材料

高熵合金是基于等物质的量比、高混合熵的设计理念，由多种组元集体领导而展现其特色的合金。高混合熵不仅有助于合金获得简单固溶体结构，

而且使其微结构纳米化及非晶化［

１０，１１］

。因此，高熵合金具有一些传统合金无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高耐腐蚀性、高耐磨性、耐回火

软化、

良好的高温稳定性和高电阻率等［１２，１３］

。最早从事高熵合金耐磨性能研究的是中国台湾“国立清华大学”，早在２００６年，Ｗｕ等

［１４］

研究了Ａｌｘ

ＣｏＣｒＣｕＦｅＮｉ高熵合金的黏附磨损行为。发现随着Ａｌ含量的增加，ｂｃｃ相的体积分数增加，

因而合金的硬度提高而磨损系数降低。同时磨损机制由剥层磨损转变为氧化磨损，氧化磨损表面产生的

氧化膜有助于提高耐磨性能。Ｈｓｕ等［１５］

采用Ｍｏ元素替代ＡｌＣｏＣｒＦｅＣｕＮｉ高熵合金中的Ｃｕ元素，

使合金的耐磨性能显著提高，另外发现随着Ｆｅ含量的增加，ＡｌＣｏＣｒＦｅｘＭｏ０．５Ｎｉ高熵合金的耐磨性能降低。研究表明，材料的耐磨性能与其维氏硬度有关，随着铁含量的增加合金的硬度下降，因而耐磨性能降低。最近，Ｃｈｕａｎｇ等

［１６］

设计了不同Ａｌ和Ｔｉ含量的ＡｌｘＣｏ１．５ＣｒＦｅＮｉ１．５Ｔｉｙ高熵合金，其中Ｃｏ１．５ＣｒＦｅＮｉ１．５Ｔｉ和Ａｌ０．２Ｃｏ１．５ＣｒＦｅＮｉ１．５Ｔ

ｉ高熵合金的耐磨性能达到传统耐磨钢的２倍以上，研究表明这与该系高熵合金杰出的抗氧化和耐高温软化性能有关。

加拿大学者Ｙ．Ｐ．Ｗａｎｇ等

［１７］

将高熵理念引入白口铸

铁，在Ｆｅ－２０Ｃｒ－

５Ｃ白口铸铁中加入Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ等合金元素以优化凝固组织中的碳化物相，使Ｆｅ－２０Ｃｒ－５Ｃ白口铸铁的耐磨性能提高了１倍。主要采用向Ｆｅ－２０Ｃｒ－５Ｃ合金中加入强碳化物形成元素，随着合金元素数量的增加，原始白口铸铁中粗大初生Ｍ７Ｃ３相减少，

同时形成许多细小的碳化物相，包括共晶Ｍ７Ｃ３、ＭＣ和Ｍ６Ｃ。与未经优化的白口铸铁相比，优化后合金的耐磨性能显著提高。Ｙ．Ｐ．Ｗａｎｇ等对表１所列的４种合金成分的组织和性能展开研究，发现随着合金

加入量的增大，

磨损速率降低（图１）。其中４＃合金的磨损速率为原始成分合金（１＃）的４０％，相当于耐磨性能提高了２．５倍。

研究表明，耐磨性能的提高很大程度上依赖于组织中细小碳化物相的体积分数。

表１　实验合金的化学成分

Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ａｌｌｏｙｓ合金编号质量分数１＃Ｆｅ－２０Ｃｒ－

５Ｃ２＃Ｆｅ－２０Ｃｒ－５Ｃ－１．９９Ｔｉ２．１２Ｖ４Ｍｏ７．６４Ｗ３＃Ｆｅ－２０Ｃｒ－５Ｃ－３．２９Ｔｉ３．４９Ｖ６．５９Ｍｏ１２．６Ｗ４＃

Ｆｅ－２０Ｃｒ－５Ｃ－

３．５７Ｔｉ３．８Ｖ７．１５Ｍｏ１３．７

Ｗ图１　实验合金的磨损速率

Ｆｉｇ．１　Ｗｅａｒ　ｒａｔｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ａｌｌｏｙ

ｓ史一功等［１８］

研究了ＡｌＣｏＣｒＦｅＮｉＣｕ高熵合金／ＧＣｒ１５摩

擦副在不同介质中不同速度下的摩擦磨损行为，

发现高熵合金与ＧＣｒ１５摩擦副的摩擦系数和磨损量均随Ｈ２Ｏ２浓度的

升高而减小，且高熵合金在Ｈ２Ｏ２介质中的磨损量远小于在纯水中的磨损量。高熵合金在去离子水中以严重的黏着磨损为主；在３０％和６０％Ｈ２Ｏ２介质中，

高熵合金的磨损机制转变为氧化磨损、磨粒磨损和黏着磨损的综合作用；在高浓度Ｈ２Ｏ２（９０％）中，由于生成的氧化膜较稳定，使得高熵合金的磨损表面仅有很浅的犁沟，磨损程度明显降低。

农智升等［１９］

对ＣｕＣｒＦｅＭｎＴｉＡｌｘ（

ｘ＝０，０．５，１．０，１．５）合金进行了摩擦磨损试验。结果表明，当Ａｌ含量为０时，合金在磨损过程中表面材料大面积地破碎脱落，

磨损表面没有明显的犁沟，粘着磨损现象明显；随着Ａｌ含量的增加，合金硬度升高，合金表面的破碎脱落量减少，表面出现明显的犁沟，粘着现象减弱，合金摩擦系数升高。但由于Ａｌ０．５合金在磨损初期摩擦系数较高，产生的热量导致表面氧化，摩擦表面产生了氧化区，从而降低了合金的摩擦系数，使得Ａｌ０．５合金的

耐磨性提高。

２　结语

随着耐磨材料研究的不断深入，材料设计理念逐步趋于多元化。相比于传统的添加耐磨合金元素，表面处理、粉末冶金和高熵合金化表现出一定的优势。如果将其中两者相结合，在设计出合理的元素配比的基础上，辅以新型的表面处理或粉末冶金技术，将为新型耐磨材料开辟出更广阔的开发与应用空间。

·０９３·材料导报 ２

０１２年１１月第２６卷专辑２０