Ti-Fe粉的加入量对TiC和TiB2颗粒增强45钢基表面复合材料显微组织的影响

２０１７年６月　包头职业技术学院学报　Ｊｕｎｅ．２０１７　第ｌ８卷第２期　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＢＡＯＴＯＵ　Ｖ０ＣＡＴＩＯＮＡＬ＆ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＣＯＬＬＥＧＥ　Ｖ０１．１８．Ｎｏ．２　Ｔｉ—Ｆｅ粉的加入量对ＴｉＣ和ＴｉＢ２颗粒增强４５钢基　表面复合材料显微组织的影响　韩文华　宋博宇　刘桂荣　（包头职业技术学院材料工程系，内蒙古包头０１４０３５）　摘要：采用真空消失模铸渗工艺结合自蔓延高温合成技术制备ＴｉＣ和ＴｉＢ　颗粒增强４５钢基表　面复合材料，重点研究了不同Ｔｉ—Ｆｅ粉的加入量对表面复合材料复合层和过渡层显微组织的影　响。利用光学显微镜对复合材料复合层与基体的结合情况及复合层增强颗粒分布情况进行观察，　并利用扫描电镜及能谱分析对Ｔｉ—Ｆｅ粉加入量４５ｗｔ％的复合材料复合层的颗粒形貌进行观察及　化学成分的确定，为确定光学显微镜下的增强颗粒是ＴｉＢ　和ＴｉＣ提供依据。　关键词：Ｔｉ—Ｆｅ粉；复合材料；ＴｉＣ颗粒；ＴｉＢ　颗粒　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｍｏｕｎｔｓ　ｏｆ　Ｔｉ—Ｆｅ　Ｐｏｗｄｅｒｓ　ｏｎ　ＭｉｃｒＯｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　０ｆ　ＴｉＣ　ａｎｄ　ＴｉＢ２　Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　４５　Ｓｔｅｅｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　Ｈａｎ　Ｗｅｎｈｕａ　Ｓｏｎｇ　Ｂｏｙｕ　Ｌｉｕ　Ｇｕｉｒｏｎｇ　（Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｂａｏｔｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ＣｏＨｅｇｅ，Ｂａｏｔｏｕ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　０１４０３５）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｗａｙ　ｔｈａｔ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｉｎ—ｓｉｔｕ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓ　ｂｙ　ＳＨＳ　ｗｉｔｈ　Ｖ—ＥＰＣ　ｉｎ－　ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ＴｉＣ　ａｎｄ　ＴｉＢ２　ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　４５　ｓｔｅｅｌ　ｍａｔｒｉｘ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒ—　ｅｎｔ　Ｔｉ—Ｆｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｌａｙｅｒ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｌａｙｅｒ，ｔｈｅ　ｍａｔｒｉｘ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ａｎｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｃａｎ—　ｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｐｅｃｔｕｒｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　４５ｗｔ％ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　Ｔｉ—Ｆｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｌａｙｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｒｅｉｆｎｏｒｃｉｎｇ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｉｓ　ＴｉＢ２　ａｎｄ　ＴｉＣ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｆｉ—Ｆｅ　ｐｏｗｄｅｒｓ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ＴｉＣ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ＴｉＢ２　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　复合材料不仅在性能上克服了单一材料的缺　ＴｉＢ：和ＴｉＣ颗粒具有优良的物理、化学、使用和　点，而且还发挥了各组元的优点，这是单一材料所不　工艺性能，因此在复合材料中作为理想的第二相增　能比拟的，研究复合材料的科学工作者之前将更多　强体而被广泛应用。ＴｉＣ和ＴｉＢ，颗粒目前主要用于　的研究重心集中于整体复合材料上。随着工业的飞　钛基复合材料，这是由于ＴｉＣ和ＴｉＢ：颗粒与多种金　速发展，对在严苛工况条件下使用的钢材除了在性　属熔液润湿性较差，在熔融金属中活性较高　Ｊ，增　能上提出了更高的要求，还需要降低其生产成本，表　强颗粒容易脱落，尤其是应用面广、成本低的黑色金　面或局部颗粒增强金属基复合材料应运而生，近年　属，所以目前对ＴｉＢ，和ＴｉＣ颗粒增强黑色金属基的　来受到了研究复合材料人员的广泛关注。　研究效果并不理想。　收稿日期：２０１７—０５—２３　基金项目：包头职业技术学院２０１６年度院级科研项目“ＴｉＣ和ＴｉＢ２颗粒增强４５＃钢基表面复合材料组织的研究”（ＫＪ２０１６０３）阶段性　成果。　作者简介：韩文华（１９８６一），女，内蒙古鸟海人，讲师，主要从事材料加工及模具设计与制造方面的教学与研究。　１１　韩文华等：　一Ｆｅ粉的加入量对ＴｉＣ和ＴｉＢ２颗粒增强４５铜基表面复合材料显微组织的影响　颗粒增强金属基复合材料目前主要有两种制备　方案：一种是外加颗粒法　Ｊ，但制备出的复合材料　研磨皿中研磨１小时左右，使合金粉末之间充分混　合，最后加入合成树脂搅拌均匀，合金粉末涂料制备　完成。　增强颗粒体积大、与基体润湿性差、容易脱落和团　聚，且大部分都是用于制备整体复合材料。另一种　是原位生成颗粒法　’　，自蔓延高温合成技术（ＳＨＳ）　是原位生成颗粒的一种方法，其原理是利用合金粉　末预制块中粉末自身燃烧反应放出的热量使化学反　应过程白发地持续下去，从而内生出增强颗粒。通　合金粉末的化学成分见表１，合金粉末配比见　表２　表１合金粉末化学成分表（ｗｔ％）　合金粉末　钛粉　纯度（ｗｔ％）　３２５目≥９９．ｏｏ　过此法制备出的表而复合材料增强颗粒为原位生　碳化硼粉　钛铁粉　３２０目ｔ＞９７．ｏｏ　ｃ＝ｏ．１，Ｔｉ：３５，Ｓｉ＝４．５，ＡＩ＝８．０　成，避免了外加颗粒容易脱落，与基体润湿性差等缺　点。但自蔓延高温合成技术在合金粉末预制块化学　反应初期需要热源将其点燃，本文为了制备ＴｉＢ，和　Ｍｎ＝２．５，Ｃｕ＝０．４，Ｆｅ为余量　ＴｉＣ颗粒增强４５钢基表面复合材料，将采用真空消　失模铸渗（Ｖ—ＥＰＣ）ｌＩ　艺，利用高温钢水作为热源　点燃合金粉末预制块中，使其发生化学反应原位生　成颗粒增强表面复合材料。因自蔓延高温合成化学　反应一旦引发，会在极短的时间内完成。为了使合　表２合金粉末的配比（ｗｔ％）　编号　Ｔｉ—Ｆｅ粉（２２０曰）　ｌ　２　３　４　粉（３２５目）　５７　５０　３７　２６　Ｂ　Ｃ粉（３２０曰）　２８　２０　１８　】４　１５　３０　４５　６０　金粉末预制块中的化学元素充分反应，生成所需增　强颗粒，就要控制其反应速度。Ｔｉ—Ｆｅ粉作为化学　反应体系中的稀释剂，加入量的不同不但会对表面　复合材料整体质量有明　的影响，而且还会对复合　层中的组织产生　著的影响。　１　实验材料及实验方法　１．２实验方法　将制备好的　一Ｆｅ粉含量为１５ｗｔ％、３０ｗｔ％、　４５ｗｔ％和６０ｗｔ％的合金粉末涂料用４０ＭＰａ的压力　机压制成尺寸为ｑ）３０×５ｒａｍ预制块（编号为１、２、３、　１．１　实验材料　４的合金粉末配比，均需制备＿＝个预制块，进行组织　观察时，选取具有最佳冶金质量的样品），放置空气　流通处静置干燥后与用ＥＰＳ材料做成浇注系统粘　结好（如图１所示），涂挂消失模防粘砂涂料，在常　温下进行充分干燥。４５钢的冶炼在中频感应炉中　进行，浇注温度控制在１６００　左右。　将冷却后的不同｜ｒｉ—Ｆｅ含量的４５钢试样制成　金相试样，在金相显微镜上进行组织观察，以对比不　实验材料主要由合金粉末和辅助材料两部分组　成　合金粉末为钛粉、碳化硼粉和钛铁粉，其中钛　粉、碳化硼粉主要片ｊ于生成增强颗粒，钛铁粉主要作　为反应稀释剂。辅助材料为合成树脂和脱水硼砂，　其中合成树脂为粘结剂，脱水硼砂为助熔剂。　首先将大块的钛铁粉用粉碎机破碎，然后用快　速研磨机研磨成细粉，最后用２２０日专用筛子筛分　待川　．　同］ｒｉ—Ｆｅ含量对ＴｉＣ和ＴｉＢ，颗粒增强４５钢基表面　复合材料显微组织的影响。　将不同比例的的合金粉末和脱水硼砂放入专用　图１　浇注系统示意图　１２　韩文华等：Ｔｊ—Ｆｅ粉的加入量对ＴｉＣ和ＴｉＢ：颗粒增强４５钢基表面复合材料显微组织的影响　２　Ｇｉｂｂｓ自由能的理论计算　Ｔｉ—Ｆｅ粉的加入量分别为１５ｗｔ％、３０ｗｔ％、　实验中制备的ＴｉＣ和ＴｉＢ　增强颗粒需要通过　自蔓延高温合成技术原位生成，而自蔓延高温合成　反应作为特殊条件下的化学反应，有必要在实验前　对合金粉末预制块中可能发生的化学反应进行　４５ｗｔ％和６０ｗｔ％时，复合材料均分为三层，由上到下　分别为复合层、过渡层和基体，如图３所示。复合层　组织主要由大量的黑色颗粒、灰色颗粒和少量白色　相组成；过渡层组织的相组成与复合层基本一致，但　Ｇｉｂｂｓ自由能变化ＡＧ的计算，从而减少实验的盲目　性，也可为后续的分析提供理论依据。热力学条件　下，ＡＧ＞０，表示反应过程可逆；ＡＧ＜０，表示反应　过程不可逆，即反应可以自发地向形成产物相的方　向进行。　在合金粉末预制块中可能发生如下化学反应，　如式１—１０所示：　Ｆｅ＋Ｂ４Ｃ　ＦｅＢ＋Ｃ　（１）　Ｆｅ＋Ｂ４Ｃ—＋Ｆｅ２Ｂ＋Ｃ　（２）　Ｔｉ＋Ｂ４Ｃ　ＴｉＢ＋ＴｉＣ　（３）　Ｔｉ＋Ｂ４Ｃ—＋ＴｉＢ２＋ＴｉＣ　（４）　Ｆｅ＋Ｔｉ—＋ＦｅＴｉ　（５）　Ｆｅ＋Ｔｉ　Ｆｅ２Ｔｉ　（６）　Ｆｅ２Ｂ＋Ｔｉ—　Ｆｅ＋ＴｉＢ２　（７）　ＦｅＢ＋Ｔｉ＿Ｆｅ＋ＴｉＢ２　（８）　Ｆｅ２Ｔｉ＋Ｂ４Ｃ—◆Ｆｅ＋ＴｉＢ２＋ＴｉＣ　（９）　ＦｅＴｉ＋Ｂ４Ｃ　Ｆｅ＋ＴｉＢ２＋ＴｉＣ　（１Ｏ）　图２合金粉末预制块中可能发生的　化学反应吉布斯自由能随温度的变化曲线　计算上述各反应式的吉布斯自由能变化【６］，结　果如图２所示。由图２可知，在２００～２０００Ｋ的温度　范围内，上式各化学反应的标准吉布斯自由能均小　于零，即都存在发生化学反应的可能性。其中式４、　９、１０吉布斯自由能的绝对值比其它可能的化学反　应的吉布斯自由能的绝对值大，所以从热力学的角　度来看，ＴｉＢ　和ＴｉＣ是合金粉末预制块中Ｔｉ粉、Ｂ　Ｃ　粉和１ｒｉ—Ｆｅ粉各元素化学反应产物的最稳定相。　３结果与分析　白色相数量急剧增加，黑色颗粒和灰色颗粒数量减　少；基体组织与普通４５钢无异，为铁素体和珠光体。　Ｔｉ—Ｆｅ粉加入量为１５ｗｔ％时，表面复合材料的　复合层与基体之间没有明显的过渡层，甚至没有明　显的界限，如图３（ａ）所示。这是由于合金粉末预制　块中的Ｔｉ—Ｆｅ粉含量较少，即Ｆｅ含量少，而Ｆｅ元　素主要起反应稀释剂的作用。由于反应稀释剂加入　量少，导致自蔓延高温合成反应剧烈，加之可能在钢　液的对流作用下，预制块靠近钢液表层发生溃散。　并且，由于高温持续时间较长，使复合层与基体中的　元素之间进行了充分的扩散，导致复合层与基体之　间没有明显的界面。复合层组织主要由黑色颗粒、　灰色颗粒和白色相组成，但三者之间呈不均匀分布，　增强相有团聚现象，如图４（ａ）所示。　Ｔｉ—Ｆｅ粉加入量为３０ｗｔ％时，表面复合材料的　复合层与基体之间有了明显的界限，如图３（ｂ）所　示。虽然这组合金粉末预制块中的Ｔｉ—Ｆｅ粉含量　相较于上组有了提高，但是其中Ｆｅ元素只占一定比　例，所以相对应的Ｆｅ元素的含量仍然不高，即反应　体系仍处在较高温度状态。虽然复合层与基体之间　的过渡层开始显现，但是却在复合层的组织中出现　了气孔等缺陷。复合材料的复合层组织较为均匀，　黑色增强颗粒明显增多，如图４（ｂ）所示。　Ｔｉ—Ｆｅ粉加入量为４５ｗｔ％时，表面复合材料的　复合层与基体之间呈良好的冶金结合，复合材料中　没有明显的宏观和微观缺陷，复合层中的增强颗粒　弥散分布在复合层的基体之上，如图３（ｃ）所示。当　Ｔｉ—Ｆｅ粉加入量达到４５ｗｔ％时，此时反应体系中的　温度和反应速率有利于增强颗粒的形核，又不致长　大过快，且有利于复合层中各相的相互扩散，最终形　成三者的均匀分布。复合层组织黑色颗粒和灰色颗　粒交替分布于白色相上，组织致密，分布均匀，如图　４（Ｃ）所示。　Ｔｉ—Ｆｅ粉加人量为６０ｗｔ％时，表面复合材料的　复合层与基体之间有明显的界限，且呈良好的冶金　结合，但复合材料的过渡层较薄，在低倍光学显微镜　下过渡层组织不明显，如图３（ｄ）所示。这是由于当　Ｔｉ—Ｆｅ粉加人量达到６０ｗｔ％时，Ｆｅ元素的含量也达　到了一定的比例，此时燃烧体系中反应稀释剂大大　１　３　韩文华等：　ｌ＇ｉ—Ｆｅ粉的加入量对Ｔｉｃ和　Ｆｉｌ｛、ｌ颗粒增强４５钢基表面复合材料显微组织的影响　降低了反应体系的温度和速率，使得反腹进行略不　充分，导致在复合材料复合层Ｌｊ基体的　曲线弧　度增大，基体有包『韦１复合层的趋势　复合　组织较　均　Ｊ，ｈ色卡ｆｌ、　色　粒和灰色颗粒交替分布，但　增　粒的形貌特　小ＩＪＪＪ　，如　４（ｔ１）所永、　图３　不同ｒｒｉ—ｈ粉加入量的复合材料过渡层的显微组织　图４　不同Ｔｉ—ｈ粉加入量的复合层的显微组织　１４　韩文华等：　—Ｆｅ粉的加入量对　ＦｉＣ和ＴｉＢ２颗粒增强４５铜基表面复合材料显微组织的影响　实验结果表明：随着Ｔｉ—Ｆｅ粉含量的增加，复　别增大。但是当Ｔｉ—Ｆｅ粉含量超过４５ｗｔ％达到　合材料的组织分布整体趋向均匀，复合层与基体之　间的界面也逐渐清晰，两者之间的显微组织形貌差　６０ｗｔ％时，复合材料的复合层与基体之间的界面虽　然仍然清晰，但是基体呈现出包围复合层的趋势。　图５　Ｔｉ—Ｆｅ粉加入量为４５ｗｔ％时复合层增强颗粒的形貌　图５（ａ）是　—Ｆｅ粉加入量为４５ｗｔ％时复合层　组织的背散射电子成像，图５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）分别是　图５（ａ）中Ａ、Ｂ、Ｃ三处的能谱分析结果。根据合金　粉末预制块中可能发生的化学反应吉布斯自由能计　算的结果，结合相关文献记载　Ｊ，可知Ａ处黑色颗　粒为ＴｉＢ　、Ｂ处灰色颗粒为ＴｉＣ和Ｃ处白色复合层　基体为Ｆｅ相。　４结论　参考文献：　［１］李荣久编．金属陶瓷复台材料［Ｍ］．北京：冶金工业出版　衬：，１９９６，３２—３４．　［２　朱正吼．铸造ＳｉＣ／钢基复合材料中粒子的分布特点［Ｊ］．　热加１Ｕｒ．艺，１９９５，（２）：８—９．　［３］林君山，沙民，沈义荣等．铸造ＳｉＣｐ／２００４复合材料微观　结构　强化机制的研究［Ｊ］．金属学报，１９９３，２９（９）：　Ｂ４１７—４２２．　随着合金粉末预制块中　一Ｆｅ粉含量的增加，　复合材料的复合层与基体之问的界限趋向清晰。但　当Ｔｉ—Ｆｅ粉含量增加到６０ｗｔ％时，复合层与基体之　间的界限曲线弧度增大。　［４］Ｍ．Ｊ．Ｋｏｃａｚｋ，Ｍ．Ｋ．Ｐｒｅｍｋｕｍａｒ．Ｅｍｅｒｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎ—ｓｉｔｕ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ＭＭＣｓ［Ｊ］．ＪＯＭ，１９９３，Ｊａｎｕａｒｙ：　４４—４８．　［５］李春　，李英，刘伯操等．原位反应复合法制备金属基复　合材料的进展［Ｊ］．材料丁二程，１９９５，（１　１）：８—１０．　复合材料的复合层组织总体趋向均匀化、弥散　化。当Ｔｉ—Ｆｅ粉含量为４５ｗｔ％时，复合层组织黑色　ＴｉＢ，颗粒和灰色ＴｉＣ颗粒交替分布于白色Ｆｅ相上，　组织致密，分布均匀，且在高倍光学　微镜下可清晰　［６］梁教英，４：荫昌．无机物热力！学数据手册［Ｍ］．辽宁：东　北大学…版社，１９９３，６４一】２８．　［７］韩文华，郭长庆，程军．相对厚度对ＴｉＢ：颗粒增强４５钢　基表面复合材料组织和硬度的影响［Ｊ］．铸造技术，　２０１Ｉ．５５—５８．　辨别增强颗粒的形貌特征；当Ｔｉ—Ｆｅ粉含量达到　６０ｗｔ％时，增强颗粒的形貌特征不明　．且有轻微的　团聚现象。　（责任编辑郭晓勇）　１５