纳米TiN增强导卫板铸渗层的组织研究

谢敬佩，郭 正，邵星海，王文焱，李 炎

(1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003;2.中原工学院 纺织学院，河南 郑州450007)

0 前言

导卫板是传输轧件的关键装置，主要用于轧件的传导。导卫板工作时与滑动的高温轧件不断接触摩擦而产生磨损，虽然有冷却水强制降温，但是导卫板工作面的温度仍能达到数百度［1－2］，因此，导卫板应具有良好的耐高温耐磨损性能。20世纪80年代末，随着高速线材轧机的引进，高铬铸铁导卫板被研发出来，虽然耐磨性能得到了明显的提高，但仍不能满足生产需要，而且高铬铸铁导卫板存在脆性大以及热疲劳抗力差等不足，使用中易出现剥落和脆裂。进一步研究适合于制造导卫板的新型耐磨材料是轧钢工业亟需解决的重要问题。为了进一步提高导卫板表面合金材料的耐磨性能，国内外科研工作者开始研究了激冷铸铁表面喷涂、低碳马氏体高强度耐磨合金、硬质合金弥散强化高合金钢、硬质合金强化高铬铸铁等材料［3－6］。本文采用普通砂型铸渗法，制备出经纳米TiN颗粒细晶强化和弥散强化的高碳铬渗层，并研究了加入不同含量纳米TiN对其显微组织的影响和纳米颗粒的强化机理。

1 试验方法

使用自制的合金粉末作为铸渗材料(主要成分是高碳铬铁，加入适量的Ni粉以提高淬透性)，加入不同含量的纳米TiN粉末，在拌料机上充分混匀后加入适量的酚醛树脂、硼砂、酒精等，配制成纳米TiN粉体质量分数分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%的铸渗剂涂层。

将铸渗剂涂层编号后分别涂于砂型内壁，点燃烘干后用1 600℃的ZG35钢液浇铸成型。线切割加工成 10.0 mm ×10.0 mm ×10.0 mm 方块试样和10.0 mm ×10.0 mm ×0.5 mm(在铸渗层中取样)薄片试样用于显微组织分析。将方块试样磨平后在德国Brux D-8 X射线衍射仪(XRD)上进行物相分析;磨制抛光用王水腐蚀后在配有能谱仪(EDX)的JSM-5610LV扫描电镜(SEM)下进行分析;将薄片试样制备成厚度为50 μm以下的φ3 mm透射试样，进行离子减薄之后在JSM2100高分辨透射电子显微镜(TEM)下观察。

通过SEM、EDX、XRD、TEM等试验方法观察铸渗层组织中晶粒大小，物相组成，碳化物分布形态，纳米颗粒分布形态，分析纳米TiN加入量对铸渗层组织的影响和作用机理。

2 试验结果和分析

2.1 结合界面分析

通过观察，在试样表面形成了一层明显区别于ZG35材料的铸渗层，铸渗层与ZG35之间有着明显的结合界面。利用扫描电镜对结合界面处的显微组织进行分析，结果见图1。由图1可看出:铸渗层与ZG35之间有着一层50～80 μm厚的过渡层，结合界面在过渡层中间，呈犬牙交错，形成良好的冶金结合。在铸渗层中分布着网格状析出物(通过能谱分析为铁铬碳化物)。在浇注过程中，高温钢液将过热热量和结晶潜热传输到合金粉涂层，使涂层中的不同成分相互扩散，并被钢液稀释形成共晶液相，发生反应烧结，原位生成一层高硬度与高耐磨性的高碳铬渗层［7－8］。

图1 结合界面显微组织

2.2 合金层物相分析仪

利用X射线衍射仪(XRD)对合金层进行物相分析，结果见图2。由图2可看出:铸渗层铸态组织由奥氏体基体和(Cr，Fe)7C3碳化物组成，纳米TiN的加入未对碳化物的种类造成影响，但是从XRD图谱可以看出，加入质量分数为1.0%纳米TiN后，衍射峰的数量增加，强度降低，这是由于组织的细化与碳化物数量的变化引起的。

图2 合金层XRD图谱

2.3 铸渗扫描电镜分析

通过扫描电镜(SEM)分析，结合XRD物相分析，对距结合界面500 μm铸渗层区域进行组织分析，结果见图3。由图3可看出:随着纳米TiN加入量的增加，组织中奥氏体晶粒得到细化，碳化物由较为紧凑的连续网状分布向独立、分散的不连续网状分布变化。

图3 铸渗层组织扫描电镜图像

在铸渗过程中，高温钢液向涂层中扩散，通过过热热量将合金粉融化并稀释得到亚共晶液相，随着凝固过程的进行，在奥氏体晶界处析出网状碳化物(见图3a)。加入纳米TiN之后，在合金粉被融化之前，铸渗剂成分中的纳米TiN聚集于钢液与固态合金粉界面，或者溶于金属液中作为异质形核点促进大量非均匀形核。纳米TiN在界面的聚集与促进形核作用均能够抑制碳铬元素的扩散，造成熔体寿命较短，成分不均匀，微小体积之间出现成分差异。富碳铬区域形成较为分散的不连续网状分布碳化物，这种形态的碳化物大幅度提高了铸渗层的力学性能与耐磨性。纳米TiN加入质量分数为0.5%时，奥氏体晶粒得到细化，碳化物形态介于紧凑网状与不连续网状之间(见图3b)，为过渡阶段;纳米TiN加入质量分数为1.0%时，碳化物呈不连续的网状分布，碳化物分布较为独立，分散(见图3c);纳米TiN加入质量分数为1.5%时，碳化物形态和晶粒度较纳米TiN加入质量分数为1.0%时变化较小(见图3d)。

2.4 透射电镜分析

图4是加入质量分数为1.0%纳米TiN高碳铬渗层透射电镜(TEM)像和选区电子衍射花样。在TEM像中可观察到基体中析出了大量10 nm左右的第二相粒子，并在其周围促进形成大量的位错，第二相粒子强烈钉扎位错，与位错相互缠结。对图4a中的基体和纳米颗粒进行电子衍射花样标定，结果表明基体(标定中晶面指数后加γ)为奥氏体，纳米颗粒(标定中晶面指数后加N)为纳米TiN。

TiN熔点高达2 950℃，纳米TiN颗粒在1 550℃钢液的加热过程中处于部分融化或半融化状态，能够固溶在基体中起到钉扎作用，大大提高位错的密度。因此可以认为，纳米TiN在铸渗层中能够起到弥散强化和固溶强化作用，其强化作用是由析出强化和位错强化机制导致的［9－13］。

图4 铸渗层透射电镜像和选区电子衍射花样

3 结论

(1)在纳米TiN增强高碳铬渗层制备工艺中，纳米颗粒通过促进形核与抑制微区中元素的扩散，从而起到细化晶粒，并促进碳化物由紧凑网状向不连续网状分布转变。(2)在铸渗剂中加入质量分数为1.0%纳米TiN能够起到较为显著的优化效果，晶粒细小，碳化物较为分散。加入质量分数为1.5%时，组织优化效果不再显著。(3)通过透射电镜分析发现纳米TiN颗粒作为第二相粒子弥散分布于奥氏体基体中，使得位错密度增加，起到弥散强化作用。

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