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蜂窝陶瓷/球墨铸铁复合材料的制备及耐磨性能研究

金铭  
【摘要】:三维网络陶瓷/铁基复合材料兼具陶瓷和铁基体的优异性能,即陶瓷的高硬度和高耐磨性以及铁基体良好的强度和韧性,所以得到人们的广泛关注。相比传统的耐磨材料,这种复合材料拥有更高的综合性能,可以适应更多复杂条件下的工况需求。同时三维网络陶瓷/铁基复合材料需要进一步发展,实现大批量生产应用。蜂窝陶瓷作为三维网络陶瓷的一种,其孔隙通透且分布均匀,与金属基体复合后表面陶瓷占比高,是优秀的陶瓷增强体;球墨铸铁具有良好的强度及韧性且生产成本低,因此本研究选择球墨铸铁作为复合材料的基体,以不同孔径的蜂窝陶瓷作为增强体,通过负压消失模铸造工艺成功制备了蜂窝孔径为3mm的RSiC/球墨铸铁复合材料,蜂窝孔径分别为1 mm、2 mm、3 mm的Al2O3/球墨铸铁复合材料和未添加蜂窝陶的瓷球墨铸铁对比试样。利用扫描电镜、激光共聚焦显微镜、维氏硬度计和端面摩擦磨损试验机对复合材料的组织及性能进行研究。研究结果表明:制备所得的RSiC/球墨铸铁试样和Al2O3/球墨铸铁试样复合情况良好,陶瓷与球墨铸铁结合位置无明显缺陷。RSiC/球墨铸铁试样中RSiC陶瓷与球墨铸铁基体界面处主要结合方式为机械结合,同时界面上发生少量界面反应生成脆性相,结合面上C元素和Ni元素在结合面的基体一侧分布较为集中,沿基体方向逐渐减少。Al2O3/球墨铸铁试样界面结合方式为机械结合,无界面反应发生,但界面处有细小Al2O3颗粒并伴随微量石墨聚集。复合材料试样表面蜂窝内的基体组织与球墨铸铁试样相对比,石墨组织数量增多且分布更均匀,铁素体组织含量减小,珠光体组织含量有所增多,珠光体组织片间距增大,其生长方向更加有序。摩擦磨损实验在法向载荷100 N,转速100 r/min,时间10 min的条件下,球墨铸铁试样的平均失重量为0.5659 g,蜂窝孔径为3 mm的RSiC/球墨铸铁试样的平均失重量为0.2047 g,蜂窝孔径为3 mm的Al2O3/球墨铸铁试样的平均失重量为0.1344 g,球墨铸铁试样的耐磨性最差,Al2O3/球墨铸铁试样的耐磨性最好。相同实验条件下,蜂窝孔径为2 mm的Al2O3/球墨铸铁试样的耐磨性优于蜂窝孔径为3 mm的Al2O3/球墨铸铁试样,复合材料的最佳增强体为蜂窝孔径为2 mm的Al2O3蜂窝陶瓷。RSiC/球墨铸铁试样和Al2O3/球墨铸铁试样的主要磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损。


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