铁基耐磨复合材料研制

铁基耐磨复合材料研制0前言随着现代工业的迅速发展，在全球面临资源、能源与环境严峻挑战的今天，摩擦学在节能、节材、环保以及支撑和保障高新科技的发展中发挥了不可替代的作用。

对机械产品的性能要求越来越高。

很多机械零部件要在高温、高压、高速或高度自动化的条件下长期稳定地工作，因而对材料的性能提出很高的要求。

机件表面由于长期的工作会发生不同程度的磨损和腐蚀，表面的磨损和腐蚀不仅影响机件的正常工作运行，而且不利于工件的维护和保养。

由于磨损所造成的损失十分惊人，据统计，机械零件的失效主要有磨损、断裂和腐蚀三种形式，而磨损失效却占60%—80%，因此磨损问题引起人们高度重视，为有效的防止机件表面的磨损和腐蚀，目前一般采用表面防护措施延缓和控制表面的破坏。

因而研究磨损机理和提高耐磨性的措施，将有效地节约材料和能量，提高机械装备的使用性能，延长使用寿命，减少维修费用，以降低由于磨损造成的损失，这对于国民经济建设的发展是一件具有重要意义的工作。

1复合材料复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

composite由两个或多个不同物理相组成的一种固体材料。

复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。

复合材料的特点主要体现在以下两个方面：其一是各组员在性能上有“协同作用”，它不仅能保持原各组分的优点。

而且产生原组分所不具备的新性能；其二是具有可设计性。

复合材料往往具备多种优良的性能，如刚度大、强度高、重量轻、耐腐蚀、抗疲劳等，这些优点都是单一材料所不及的。

1.1金属基复合材料金属基复合材料是以金属或合金为基体，与纤维、晶须、颗粒等各种增强材料复合而制得的复合材料。

按所用基体金属的不同，使用温度为120-350℃。

在力学方面其特点为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点【】。

【】张国赏，魏世忠，韩明儒，邢建东，高义民；颗粒增强钢铁基复合材料。

金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增强物两者的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能等特点。

由于制作工艺相对容易，和价格低廉，颗粒增强金属基复合材料体现出了广泛的商业价值，金属基复合材料首先在航天和航空上得到应用，随着其价格的不断降低，它们在汽车、电子、机械等工业部门的应用也越来越广。

为此全球各大公司和研究机构对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开。

按基体材料分为：黑色金属基（钢、铁）、有色金属基（铝基、锌基、镁基、铜基、钛基、镍基）、耐热金属基、金属间化合物基复合材料等。

按增强体分为：连续纤维增强金属基复合材料；非连续增强金属基复合材料(颗粒、短纤维、晶须增强金属基复合材料)；混杂增强金属复合材料、层板金属基复合材料；自生增强金属基复合材料（包括反应、定向凝固、大变形等途径自生颗粒、晶须、纤维状增强体）等。

其中，自生复合材料的增强相在热力学上是稳定的，界面结合强度高，而且增强体的尺寸和体积分数可以通过工艺参数控制，是目前研究的热点【】。

【】王燕，朱晓林，朱宇宏，姚强；金属基复合材料概述；江苏省产品质量监督检验研究院；20131.2基体目前应用的金属基复合材料有铁基、镍基和钴基自熔性合金。

钴基和镍基合金通常应用于高温场合，它们具有高的耐蚀性和耐磨性，但是它们比铁基合金要更加昂贵【1】。

【1】宗琳，刘政军，李乐成；含钛铁基耐磨复合材料的研制；焊接学报；2012.4.第33卷第4期近年来，铁基合金被逐渐广泛应用于堆焊领域。

这不仅仅是因为其价格低廉，经济性好，而更是因为经过成分、组织的调整，铁基合金可以在很大范围内改变堆焊层的强度、硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗冲击性。

因此，设计铁基表面复合材料时，增强相 /基体复合体系的合理选择与组合是十分重要的。

铁基表面复合材料通常是用于耐磨材料的,理论上而言,高硬度、高刚度、难熔的碳化物、氧化物、硼化物和氮化物等陶瓷材料均可用作增强相,工作环境和温度也是增强相选择的依据。

如WC比Cr3C2硬度高，但在高温下Cr3C2比WC稳定，因此，Cr3C2增强的复合材料主要用于抗高温磨损和腐蚀的部件，如涡轮机叶片、喷嘴、阀、隔板、火电站锅炉、轴承表面硬化等【】。

【】袁昌伦，李炎，张万红，魏世忠；铁基表面复合材料的制备技术及研究进展。

此外，我们总希望在生成的复合材料中，增强相颗粒可以弥散均匀分布，避免偏聚或尽可能降低偏聚的程度。

目前，国内外对铁基表面复合材料的研究所选用的基体大多为45钢、20钢、HT200等系列铁合金、抗磨铸铁以及高锰钢等。

2复合方法表面工程广泛应用于解决零部件的耐磨、防腐和装饰问题，并可用于制造各种功能器件和新型材料。

表面技术是表面工程的技术基础，表面技术的应用对提高产品性能、降低成本、节约资源具有重要意义。

在各类防磨措施中，堆焊应用较为广泛。

由于可以选作涂层材料的种类较多，对基体材料要求不严格，因此无论是带有冲击的磨粒磨损、金属之间干滑动磨损还是油润滑条件下的磨损，都可以用堆焊技术解决。

2.1堆焊堆焊是指将具有特定性能的合金熔化，借助一定的热源（电弧、火焰、高能粒子或光束）手段熔覆在基体材料的表面，以达到耐磨抗蚀目的的技术。

在堆焊过程中，基体也熔化并与焊层在一定厚度上混合，故焊层与基体之间形成牢固的冶金结合。

堆焊技术区别于其它表面工程技术，堆焊在使基体表面获得耐磨性能的同时，覆层材料与基体间形成牢固的冶金结合，因此，在一些要求表面不仅具有抗磨、抗蚀等性能且还需承受强载荷作用的条件下，堆焊具有绝对优势，如冶金设备的轧辊等。

堆焊广泛应用与冶金、航空、机械等行业旧工件的修复和新产品的制造上，目前我国以修复为主。

堆焊多属于异种钢焊接，良好的堆焊层需要从堆焊工艺和材料上实现。

堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合。

堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性。

堆焊的分类以沿用焊接的方法为主，主要有：手工电弧堆焊，埋弧自动堆焊，CO2气体保护堆焊，粉末等离子弧堆焊，振动电弧堆焊及激光熔敷堆焊等。

2.2等离子弧堆焊等离子弧粉末堆焊作为表面强化技术的一项重要分支, 通过在零件表面堆焊耐磨损耐腐蚀的合金粉末,使零件表面获得优质性能。

它具有高效、低稀释率、自动化程度高、堆焊用材料范围广等优点, 在国内外已得到迅速发展和广泛使用。

相比较其它通过形成冶金结合强化表面的堆焊技术, 如氧乙炔火焰堆焊、焊条电弧堆焊等, 粉末等离子弧堆焊具有突出的优点。

（1）堆焊质量优良。

等离子弧温度高、能量集中、稳定性好, 在工件上引起的残余应力和变形小。

（2）稀释率低。

等离子弧堆焊的稀释率可控制在5% ~ 10% , 或更低。

（3）可控性好。

可以通过改变功率、改变气体的种类、流量及喷嘴的结构尺寸来调节等离子弧的气氛、温度等电弧参数, 从而实现高效自动化生产, 提高劳动生产率。

（4）使用材料范围广。

堆焊合金粉末作为熔敷材料, 不受铸造、轧制、拔丝等加工工艺的限制, 可依据不同性能要求配置不同成分的合金粉末, 特别适用于那些难于制丝但是易于制粉的硬质耐磨合金, 以获得所需性能的堆焊层【】。

【】董丽虹，朱胜，徐滨士，林则裕；耐磨损耐腐蚀粉末等离子弧堆焊技术的研究发展。

大连理工大学邓德伟、葛言柳，沈阳鼓风机集团股份有限公司田鑫、孟艳玲采用等离子弧堆焊技术在304L不锈钢表面上堆焊碳化钨颗粒增强镍基合金层，研究了不同碳化钨颗粒含量对堆焊层组织形态，纤维硬度的影响【】。

【】邓德伟，葛言柳，大连理工大学；田鑫，孟艳玲，沈阳鼓风机集团股份有限公司；等离子堆焊球形碳化钨颗粒增强镍基合金堆焊层的组织与性能；金属热处理；2012.11。

装甲兵工程学院董丽虹、徐滨士、朱胜，天津大学林则裕采用等离子弧堆焊技术，在Q235钢表面堆焊镍基复合粉末。

2.3氩弧堆焊2.4激光堆焊3铁基耐磨复合材料制备复合材料的制备按照增强体的加入方法可分为外加复合法和原位自生法。

长期以来，对复合材料制备工艺的研究一直侧重于传统的外加增强体与基体复合的方法，原位自生颗粒增强金属基复合材料方法是在合金基体溶液中加入能反应生成预期增强颗粒的固态元素，在熔融的基体合金中，在一定的温度下发生反应，生成细小、弥散、稳定的陶瓷或金属化合物的颗粒增强物，形成增强金属基复合材料。

与外加增强体制备法相比，原位自生法的增强相由于在基体内反应生成，能克服外加复合法的缺点，已成为当前金属基复合材料制备技术研究的热点【】。

【】闫洪，胡勇；原位自生复合材料制备与流变成形。

3.1原位自生法原位反应合成法（In—situ Reaction Synthesis）又称原位生成复合法，是一种新型的金属基复合材料生产方法，该方法最早出现于1967年前苏Merzhanov用SHS法合成TiB2/Cu功能梯度材料的研究中，提出了原位复合材料（in-situ composition）的构想，但当时尚未引起人们重视。

直到20世纪80年代中后期，美国Lanxide公司和Drexel大学的Koczak等先后报道了个子研制的原位Al2O3/Al和TiC/Al复合材料及其相应的制备工艺后【】，【】欧阳柳章，罗承萍，隋贤栋；原位合成金属基复合材料；中国铸造装备技术；2002，（2）才真正开始原位复合材料的大规模研究。

金属基复合材料的反应合成法是指借助合金设计，在一定条件下在基体金属内原位反应形核生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。

这种增强相一般为具有高硬度，高弹性模量和高熔点的陶瓷颗粒，即氧化物、碳化物、硼化物、硅化物等，它们与传统的金属材料或金属间化合物复合，制成具有性能优良的结构材料或功能材料。

原位反应自生法分为固态自生法和液态自生法。

其基本原理是：把预期反应生成增强相的两种或多种组分粉末与基体金属混合均匀，或者在熔融基体中加入能反应生成预期增强相的元素或者化合物，在一定温度下，元素之间发生放热反应，在基体的熔液中生成并析出细小、弥散的增强相。