浅谈Al2O3p钢铁基复合材料的研究现状及展望.pdf

陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料以其高强度和高韧性的特点，加上耐磨、耐蚀、耐热等性能，已然成为金属基复合材料重要的研究领域之一。文章对 Al2O3p/钢铁基复合材料的研究现状进行梳理及概述，重点介绍了粉末冶金法、原位合成法、液态浸渗法等制备方法。针对复合材料界面主要有四种方法，一是在增强颗粒表面进行镀层；二是在基体中添加活化元素，使之能与增强颗粒发生反应；三是原位反应自生成增强相；四是给预制体中添加活化物质，用以促使基体与增强颗粒界面进行结合。通过对目前存在的问题及原因进行分析，并对未来的应用前景进行了展望。关键词：Al2O3颗粒；钢铁复合材料；材料制备；研究展望作者简介：余晶（1993），男，陕西商洛人，主要研究方向：复合材料、尾矿资源综合利用研究。1概述陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料不仅具有钢铁基体高强度和高韧性的特点，同时又具备陶瓷颗粒较好的耐磨、耐蚀、耐热等性能，因而成为金属基复合材料重要的研究对象之一。目前，最常见的陶瓷增强钢铁基复合材料有 Al2O3、WC、SiC、TiC 等，但是工业上主要还是采用 Al2O3颗粒增强钢铁基复合材料咱1暂。Al2O3不但具有较高的硬度和耐磨性，同时还具备优异的抗氧化性质、良好的耐腐蚀性质以及很好的化学稳定性，与其他陶瓷颗粒相比，价格也更具优势。近些年，Al2O3颗粒增强钢铁基复合材料的研究取得了很大的进展，由于其较高的强度和刚度、优异的耐磨性以及低廉的价格等特点，使其既可应用于飞机、汽车上的摩擦材料和制动材料，又可应用于水泥、矿山等行业机械上的耐磨件咱2暂。2研究现状Al2O3增强钢铁复合材料的制备方法和性能一直都是国内外研究热点之一。相关人员咱3暂利用化学镀的方法在 Al2O3颗粒表面镀 Ni，以此来提高 Al2O3与钢的润湿性能，随后运用负压铸渗方法成功地制备出 Al2O3颗粒增强钢复合材料。另外还有分别采用了喷吹弥散法以及多次翻炉熔炼法制备了 Al2O3p/钢基复合材料咱4-5暂。相关研究咱6暂采用反应浸渍法研制了 Al2O3p/Fe-Cr-Ni 复合材料。同时还有研究咱7暂向 Al2O3预制体添加一定含量的Ti 粉，利用 Ti 粉的活化作用，在 1600钢液中长时间保温，成功研制了 Al2O3p/钢铁基复合材料。近年来，昆明理工大学蒋业华团队发明了包覆+免烧结+反应浸渗的陶瓷/金属微观界面构建及调控技术，在陶瓷颗粒与金属间形成了反应型界面过渡区，解决了 Al2O3p/钢铁间浸润性差和界面组织性能不连续难题，显著提高了界面的结合强度咱8暂。发明了蜂窝状三维互穿网络构型氧化铝/铁基复合材料制备新技术，优化了宏观界面的结构参数，形成了多维度宏观界面，显著提高了高应力和强冲击工况下的耐磨性，耐磨性分别提高 5 倍和 3 倍咱9暂。3制备方法目前，制备 Al2O3P/钢铁基复合材料的主要方法大致可分为三类：一是粉末冶金法、二是原位合成法、三是液态浸渗法，其不同制备方法的特点如表 1 所示。3.1粉末冶金法粉末冶金法是制备 Al2O3P/钢铁基复合材料应用最早的工艺方法，该方法可以生产一些常规熔炼铸造法生产困难的材料，对于一些性能差异较大的材料也能够实现较理想的复合。这个方法主要分为三步，第一步是将金属粉末和增强体均匀混合后冷压，第二步是将预制体加热到固液两相区内热压成坯料，最后把坯料加工成所需零件。相比于常规的铸造法，采用该方法制备复合材料加热温度相对较低，对增强体与基体之间严重的界面反应有抑制效果，且可以控制增强颗粒的体积分数，成分比例比较准确，分布均匀。缺点是对设备要求高、工艺相对复杂度高、生产时效率比较低，不适合用来生产大件、复杂件。3.2原位合成法原位合成法主要是在基体内通过化学反应自发形成一种或几种增强相，以达到强化金属基体的目的。采用这种方法配置成的复合材料具有如下三个特点：一是增强颗粒尺寸比较细小，二是热力学性能相对稳定，157冶金与材料第 43 卷三是界面结合的强度相对高。最常见的有自蔓延高温合成法（SHS）、内氧化法等咱10暂。自蔓延高温合成法（SHS）是利用某些化学反应能够放出大量热的特点，促进其他化学反应的发生。采用此方法制备复合材料能够充分挖掘材料的潜能，生成性能优异的复合材料，但却存在不易控制化学反应等缺点，导致无法决定复合材料的具体组织结构。内氧化法是利用原位反应使 Al 和铜的氧化物之间发生反应，得到弥散分布的 Al2O3颗粒，从而得到弥散强化的陶瓷基复合材料。SHS-铸渗法是在常规铸渗法以及粉末冶金法的基础上发展起来的，将铝粉、氧化铁粉、铁粉和其他的需要添加合金粉末进行均匀混合，然后将这些混合物压制成块，在浇铸前将其放入型腔内。浇注金属液后，高温的钢液放出大量热量，这些热量使预制块中铝粉和氧化铁粉发生铝热反应，从而生成很多的 Al2O3细小颗粒，形成 Al2O3/钢铁基复合材料。3.3液态浸渗法液态溶液浸渗法又称铸渗法，是将增强陶瓷颗粒制备成预制体，在一定温度和压力作用下，金属液浸入陶瓷预制体的空隙中，形成复合材料咱12暂。这个方法具有以下三个优点，一是工艺设备比较简单，二是生产周期较短，三是成本不高，能够用不同的生产工艺来制备复合材料，而且不会受限于设备的大小，具有较强的可操作性。液态浸渗法还可以被细分为无压浸渗、负压浸渗、离心浸渗、挤压浸渗等。无压浸渗主要是在无外加压力的条件下，金属液自发浸渗到陶瓷的孔隙中，得到陶瓷/金属复合材料。通过陶瓷预制体的孔隙率大小可以调整复合材料增强相的体积分数。该方法的优势为工艺简单，无需使用加压设备；增强体的体积分数可在 75%的范围内任意调节。缺点是铸件存在铸造缺陷，容易出现浸渗深度浅、浸渗效果差等缺点，复合材料的性能容易受到基体与增强体润湿性能的影响。负压铸渗工艺可以分为真空实型铸造法和 V 型法。负压铸渗的优点是增强了铸渗驱动力，能够得到较厚的渗层，提高复合层的质量。缺点是成本投入高，生产周期长，难以制造较大的零部件。离心铸造工艺是将预制的增强颗粒放入离心铸造机型腔内壁，预热至一定温度，浇入金属液，高温的金属液在离心力的作用下浸入颗粒空隙之间，凝固后形成复合材料。得到的复合材料中基本上无铸造缺陷，而且具有较好的界面结合。该方法具有操作方便，工作效率高，而且产品性能非常好，尤其在工业化生产方面很适合等特点。但是该方法仅适合铸造形状简单的旋转体部件，不适用形状复杂的部件。挤压铸造法主要是将增强颗粒制作成预制体，放入模具内，浇入高温的金属液，施加一定的压力，金属液浸入增强体颗粒之间，凝固后形成复合材料。一般可以按金属液在型腔中的充型特点及所受压力情况将挤压铸造分为冲头挤压、柱塞挤压和特殊挤压。4存在的问题及原因分析目前，Al2O3p/钢铁复合材料存在着采用常规铸造法制备困难、界面结合比较弱、力学性能比较差等问题。有关研究咱3暂提出的 WC/钢复合材料浸渗深度（H）公式：H=R2（P1+2滓cos兹/R）子浊姨（1）式中：R 为颗粒间隙形成的毛细管半径；P1为外压力；滓 为金属液的表面张力；兹 为液体金属与颗粒间的接触角；子 为浸渗时间，也是金属液完全凝固前的时间；浊 是金属液的粘度。从公式中可以得出，影响复合材料的浸渗深度的主要因素是复合材料各组元的物理性能以及制备时所表 1Al2O3p/钢基复合材料不同制备方法的特点制备方法搅拌铸造法粉末冶金法离心铸造法挤压铸造法铸渗法原位反应合成法缺点颗粒分布不均，易产生气孔缺陷生产工艺复杂，周期长，成本高，制备的零件尺寸有限复合材料容易产生成分偏析，铸件适用范围较窄成本较高，只能制备小零件，对于结构十分复杂制备较难浸渗厚度不均匀，表面比较粗糙，铸件机加工困难工艺过程严格且不成熟，增强体的体积分数不可控，优点工艺不复杂，投资少，适合工业化生产复合材料基体选择范围广，增强颗粒的体积分数可以控制生产效率高，成本低，组织致密，可制备较厚的复合材料工艺简单，效率高，组织致密，可避免Al2O3颗粒和金属基体的润湿性差工艺和设备简单，生产周期短，成本低，便于大规模生产成本低，颗粒粒度小，而且分布均匀，Al2O3颗粒和基体的界面结合高158第 8 期（上接第156页）表 5夹杂物检测炉号2320炉2321炉2322炉测定结果A细系1、A粗系0，B细系0、B粗系0，C细系0、C粗系0，D细系0.5、D粗系0，DS为0A细系1、A粗系0，B细系0、B粗系0，C细系0、C粗系0，D细系0.5、D粗系0，DS为0A细系1、A粗系0，B细系0、B粗系0，C细系0、C粗系0，D细系0.5、D粗系0，DS为0在拉速为 2.5m/min 钟时裂纹是 1.5 级，基于现有工艺及设备条件，伴随拉速提高裂纹呈现恶化态势；在拉速2.1m/min，过热度 35时，偏析结果是 1.11，过热度30m/min 时，偏析结果是 1.1，过热度是 25m/min 时，偏析结果是 1.07；拉速 2.3m/min 及 2.5m/min 时，中心 C 偏析都小于等于 1.08，拉速提高有助于偏析质量优化；综上检测结果分析，选择使用 2.3m/min 拉速及过热度30生产工艺，线材质量较佳，跟踪拉丝情况，断裂比例降低 50%之上，经工艺改善后生产的产品达到质量计划及使用需要。参考文献1 周滨新，张康晖，马建超，等.70钢小方坯芯部质量优化 J.中国冶金，2021，31（1）：42-45.2 侯自兵，徐瑞，常毅，等.高碳钢连铸方坯拉坯方向偏析C元素分布的时间序列波动特征 J.金属学报，2018，54（6）：851-858.3 桂仲林，张正林，王向红.高碳硬线钢小方坯末端电磁搅拌工艺实践 J.上海金属，2016，38（3）：48-52.选用的工艺参数，具体包括：钢液的特性、挤压力大小、金属液的粘度和金属与颗粒之间的接触角。而接触角一定程度上决定着浸渗时间，浸渗时间越久，浸渗深度也就越大。通过分析发现，Al2O3p/钢铁复合材料存在问题的主要原因：一是相对单一的浸渗机制上严重降低了复合材料的浸渗速度和深度；二是 Al2O3颗粒和钢铁的界面一般都是机械结合，导致复合材料宏观力学性能差。所以，如何优化制备工艺以及提高 Al2O3颗粒和钢铁的界面结合强度始终是急需解决的，复合材料的润湿和浸渗理论研究更需进一步的突破。5展望Al2O3p/钢铁基复合材料存在着采用常规铸造法制备困难、界面结合比较弱、力学性能比较差等问题，所以如何制备 Al2O3p/钢铁基复合材料，提高 Al2O3颗粒和基材界面之间结合的强度，增强其性能是一个重要研究方向。目前，就复合材料界面方面主要有以下几种方法，一是在增强颗粒表面进行镀层，二是在基体中添加活化元素，使之能与增强颗粒发生反应，三是原位反应自生成增强相，四是给预制体中添加活化物质，用以促使基体与增强颗粒界面进行结合。陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料本身具有陶瓷材料高硬度特性、高耐磨以及金属本身的高强度、良好韧性及塑性，普遍成为国内外科学研究领域以及产业化方面关注的重点之一。尤其是在高端制造领域，陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料的应用越来越广泛，成为了国家重点发展的战略性新兴产业之一。参考文献1赵散梅.陶瓷颗粒增强高铬铸铁基表层复合材料的制备与磨损性能研究 D.长沙：中南大学，2012.2陈维平，杨少锋，韩孟岩.陶瓷/铁基合金复合材料的研究进展 J.中国有色金属学报，2010，20（2）：257-266.3王恩泽，郑燕青，邢建东，等.铸渗法制备颗粒增强钢基复合材料的研究 J.复合材料学报，1998，15（2）：12-17.4范守宏.喷吹弥散法制取钢基/Al2O3复合材料的研究 J.中国铸造装备与技术，2006，41（3）：42-44.5 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