纳米TiC颗粒增强导卫板表面合金的耐磨性能

路王珂，谢敬佩，邵星海，张银娣，王 行

（河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023）

纳米TiC颗粒增强导卫板表面合金的耐磨性能

路王珂，谢敬佩，邵星海，张银娣，王 行

（河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023）

将改性纳米TiC通过铸渗工艺加入到导卫板的表面合金层中，可以提高导卫板的性能。运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜等分析手段，结合硬度和耐磨性能测试结果，得出以下结论：表面合金层由奥氏体和M7C3型碳化物组成，碳化物呈杆状或颗粒状。加入改性纳米TiC粉末可以优化碳化物的分布形态，增加合金层的硬度，并提高其干摩擦条件下耐磨性能。当铸渗剂中加入质量分数为1.5%的纳米TiC后，合金层具有最好的微观组织和性能。

纳米TiC；表面合金；微观组织；耐磨性

0 引言

导卫板是钢材轧制生产线上重要的辅助装置，用于诱导、夹持钢丝的顺利通过［1］。钢材与导卫板直接滑动接触，滑动速度高达6 m／s，这要求导卫板具有较高的耐磨性能［2］。通过铸渗工艺在钢的表面制备高铬铸铁合金层能够提高导卫板的性能，这种方法既能够大大缩减生产成本，又能够有针对性地提高表层材料的高耐磨需求，适合导卫板的工作环境，是一种非常经济实用的方法［1－6］。近年来，人们通过在合金层中加入刚性硬质增强相以进一步提高其性能，延长导卫板的使用寿命。但是导卫板在高温环境下工作，合金的硬度显著下降，增强颗粒容易从基体上脱落从而导致耐磨性能显著下降［4－9］。将纳米TiC颗粒加入到导卫板的表面合金层中，通过其纳米尺寸特性对基体起到增强增韧作用［10－12］，是改良导卫板性能的一个重要尝试。

1 试验方法

1.1 试样的制备

试验选择普通砂型铸渗工艺，使用合肥某公司生产的纳米TiC粉末为增强颗粒，自制的高碳铬铁粉（粒度为80目，主要成分为铬铁碳化物、铬镍合金等）为待渗合金粉末材料，中碳铸钢ZG270-500为浇注金属液材料（母材）。图1是纳米TiC粉末的透射电镜（TEM）像，粒径为20～60 nm，呈球形颗粒特征。

图1 纳米TiC颗粒的TEM像

将纳米TiC粉末、醇溶性酚醛树脂（黏结剂）粉末、硼砂（助熔剂）和高碳铬铁粉在混料机上混合均匀，得到铸渗剂。在铸渗剂中加入适量的酒精调成糊状，并涂敷于砂型内壁上得到预制涂层。将砂型和涂层预热到200℃左右，浇注熔炼好的ZG270-500金属液，凝固成形后将包含表面合金层的部分线切割加工成相应的试样后，用于微观分析和性能测试。母材金属液浇注温度1 600℃，预制涂层厚度3～5 mm，砂型选用CO2水玻璃砂型。酚醛树脂和硼砂在铸渗剂中的质量分数均为4%。纳米TiC粉末设计4种加入量，在铸渗剂中的质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。

1.2 试验分析方法

运用配有能谱仪（EDS）的JSM-5610LV型扫描电镜（SEM）观察导卫板合金层（铸态）的显微组织形貌。用D-150型洛氏硬度计测定表面合金层的硬度。测量位置在中间区域（距表面2～3 mm），每组成分测3个试样，每个试样测5个点，取平均值作为该成分的硬度指标。在ML-100型磨料磨损实验机上测试合金层的耐磨性能，试样为φ6 mm×20 mm的销形试样，配副材料选择240目的水砂纸，分别加载荷0.20 MPa和0.35 MPa，滑动总距离754.2 m。

2 结果和分析

2.1 合金层的微观组织分析

合金层的厚度在5 mm左右，借助SEM、X射线衍射（XRD）等方法对表面合金层的显微组织进行分析。图2是不添加纳米TiC粉末试样的SEM图片和X射线衍射分析结果。由图2可以看出：高铬合金层由奥氏体和M7C3碳化物组成，碳化物分布较为集中，呈网状包围着奥氏体枝晶。这是由于高碳铬合金粉末在1 600℃高温钢液热作用下熔化，得到较大程度的稀释后形成亚共晶成分。初生奥氏体大量析出后，共晶碳化物在枝晶间最后形成，呈网状包围着奥氏体枝晶，但是在部分区域，碳化物呈不连续网状分布（见图2中A区域）。

图2 不添加纳米TiC合金层的SEM像和XRD分析结果

对合金层的显微组织进行分析，结果如图3所示。由图3可以看出：随着纳米粉在铸渗剂中加入量的增加，M7C3碳化物由紧凑的网状分布向分散的独立分布转变，当加入量达到2%时再次向网状分布特征转变。分析纳米TiC在铸渗剂中加入量对碳化物形态的影响：高熔点的纳米颗粒在铸渗过程中随着合金元素的扩散，以固态颗粒形态分散在合金液中（在共晶成分附近）。固态的纳米级颗粒与钢铁之间具有一定的晶格匹配关系［10］，可以作为异质晶核提高形核率。同时纳米颗粒附着于碳铬粉的表面，抑制了不同浓度微区之间的元素扩散。凝固过程形核率的增加和元素扩散的抑制均能使得共晶成分的区域增大。因此，加入少量的TiC后，共晶碳化物容易分枝生长，能够快速的长成曲面板条，因而能够完全包围着初生奥氏体枝晶生长，呈连续的网状分布（如图3a所示）；当加入较多的纳米TiC后，过共晶成分区域占据主导地位，凝固形成的碳化物主要为初生M7C3碳化物和共晶M7C3碳化物。呈独立的杆状分散分布，尺寸较为均匀（如图3b和图3c所示）；加入过量的纳米TiC（2%加入量）后，大量的初生碳化物形成后消耗了主要的C元素，低C区域初生奥氏体的形成过程同时进行，因而表现为与图3a相似的网状碳化物特征，如图3d所示。

2.2 合金层的性能分析

表1是加入不同含量纳米TiC粉末后合金层的洛氏硬度和不同载荷条件下的磨损失重。通过分析可知：随着加入量的增加，硬度得到显著提高，当铸渗剂中纳米TiC质量分数大于1.5%时，硬度变化不再明显。在纳米TiC加入质量分数为1.5%时硬度可达到HRC52，较不加入纳米陶瓷颗粒时提高了18.18%。这是因为在该加入量下，碳化物的分布较为分散且相互独立，因而合金层具有较好的强度。

图3 铸渗层组织扫描电镜照片

表1 表面合金层的硬度和磨损性能测试

由耐磨性测试结果可以看出：在0.20 MPa和0.35 MPa两种载荷条件下，随纳米粉加入量的增加，纳米TiC增强合金层的磨损失重均呈先减后增的变化趋势，当铸渗剂中加入纳米TiC质量分数为1.5%时，合金层耐磨性能最好，这与微观分析结果和硬度测量结果对应。在0.20 MPa载荷下，不加入纳米粉时磨损质损为0.097 5 g；在纳米TiC加入质量分数为1.5%时磨损质损降为0.078 7 g，耐磨性提高19.28%；但是在纳米TiC加入质量分数为2.0%时磨损质损增大至0.094 4 g，耐磨性降低。在0.35 MPa载荷下，不加入纳米粉时磨损质损为0.152 8 g；在纳米TiC加入质量分数为1.5%时磨损质损降为0.119 5 g，耐磨性提高21.79%；在纳米TiC加入质量分数为2.0%时磨损质损增大至0.136 5 g，耐磨性降低。分析可知：纳米TiC在加入质量分数为0.5%～1.5%范围内能够优化碳化物的分布形态，从而提高渗层的耐磨性；加入量过多时，初生碳化物大量析出，密集分布，使得耐磨性下降，甚至不如不加入纳米粉的耐磨性。

导卫板应用于高速线材的导位，在工作状态没有润滑剂的润滑。因此，加入适量的纳米TiC可以提高表面合金层的硬度和干摩擦条件下的耐磨性能，增加导卫板的使用寿命。

3 结论

（1）在铸渗剂中加入纳米TiC粉末后，通过铸渗工艺在导卫板表面得到5 mm厚度左右的纳米TiC可增强高铬铸铁合金层材料，合金层由奥氏体和M7C3碳化物组成。

（2）纳米TiC能够改善碳化物分布形态，加入质量分数为1.5%时，碳化物呈均匀分散分布，具有最好的显微组织形貌。

（3）纳米TiC能够提高合金层的硬度和干摩擦条件下的耐磨性能。加入质量分数为1.5%纳米TiC后，合金层的硬度提高了18.18%，在0.20 MPa和0.35 MPa两种载荷条件下耐磨性分别提高19.28%和21.79%，对性能的优化效果最为显著。

［1］ 王海棠.导卫板负压铸渗法表面改性组织及性能的研究［D］.兰州：兰州理工大学，2009：3－5.

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［3］ 谢敬佩，李卫，宋延沛，等.耐磨铸钢及熔炼［M］.北京：机械工业出版社，2003：1－5.

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［6］ Bram fitt B L.The Effects of Carbide and Nitride Additions on the Heterogeneous Nucleation Behavior of Liquid Iron［J］. Met Trans，1970，1（7）：1987－1995.

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［12］ 喻惠武，王文焱，谢敬佩，等.改性纳米TiN粉末对ZGMn18Cr2微观组织和力学性能的影响［J］.铸造，2012（5）：15－18.

TB36

A

1672－6871（2014）01－0001－03

河南省国际科技合作基金项目（084300510006）；河南科技大学博士科研基金项目（2008bs025）

路王珂（1988－），女，河南周口人，硕士生；谢敬佩（1957－），男，河南安阳人，教授，博士，博士生导师，主要从事新型耐磨材料及摩擦磨损机理研究.

2013－05－19