摘要:采用普通砂型鑄造工藝，制備出高鉻鑄鐵增強ZG45鋼基表層復合材料，通過對結合界面的顯微組織分析以及硬度測定，發現復合層與鋼基體之間為冶金結合，組織中無氣孔和夾渣等缺陷。運用動力學理論，分析了該復合材料界面形成的機理。
　　關鍵詞:砂型鑄造,鋼基表層復合材料,動力學,界面分析
　　在復合材料的制備與研究中，界面控制與制備工藝問題一直是復合材料制備領域研究的重大技術問題。PPMMCS材料的界面主要有三種類型：I類是平整界面，增強體與基體互不反應，亦互不溶解，界面兩側靠機械鉚合及范德瓦爾斯鍵的物理結合，這是一種很弱的界面結合方式，如.Cu—A12Q3纖維。II類界面為犬牙交錯的溶解擴散界面，增強體與基體不反應但相互溶解。III類界面則有界面反應物，屬化學反應結合，如硼纖維增強Ti能生成TiB2化合物層。經過對復合材料界面處進行剪切試驗發現，II類和III類界面的基體與增強體在界面處有較強的結合力，有利于提高材料的耐磨性能。因此，工程上需要第II類或第III類界面，但由于鋼的熔點高、凝固快、流動性差等特點，形成鋼基復合材料的難度較大。本文采用一種新型添加劑，制得了高鉻鑄鐵增強ZG45基表面復合材料，并運用動力學知識，分析了復合材料結合界面組織的形成機理。
　　1鑄滲材料及工藝
　　1.1鑄滲材料：基體為ZG45(ώc:0.42~0.52,ώMu:0.05~0.80,ώSi:0.20~0.45,ώP<0.02,ώS<0.02)合金化材料為100~154um的高碳鉻鐵粉末(8.5%C+64.2%Cr+25.3Fe+1.5%Si+0.5%其他)。
　　1.2一定質量的高碳鉻鐵粉末與一定比例（8%~10.5%）的添加劑混合成膏狀，鑄型內鋪敷，膏塊厚度為4mm。
　　1.3鑄型條件：普通水玻璃石英砂干型、無負壓；試樣尺寸：80mm50mm60mm；澆注溫度：16000C~16500C.
　　高溫鋼液澆入鑄型后，合金顆粒被浸潤、熔化、凝固結晶，形成表面復合層。將鑄造表面復合材料樣品，加熱至9500C保溫2h空冷。線切割取得表面復合材料試樣，用金相顯微鏡、光學顯微鏡和掃描電鏡對表層結合界面進行組織分析，并運用動力學理論，分析界面形成的機理。
　　2表面復合材料界面組織分析
　　鑄件表面復合層表面平整，內在品質良好，合金粉末熔化充分，并有一定程度的擴散，形成了致密的合金化組織。圖1是復合層與鋼基體結合界面的光學顯微鏡照片。可以看出，從復合層表面向鋼基體，鑄件的金相組織是逐漸過渡的，即分為復合層———過渡層———基體幾種不同的區域。
　　
　　圖1中，鋼基體與復合層之間的過渡層有兩條帶，通過顯微硬度的測試和界面處元素濃度的能譜分析，發現靠近復合層的黑色條帶為珠光體帶(Hv403)，在此帶中沒有共晶碳化物組織出現，起到過渡作用；靠近基體的白色條帶為鐵素體帶（Hv282），經過9500C2h正火處理后，此帶消失。
　　參考Fe-Cr-C三元相圖中含Cr18%截面圖析，作者認為界面上之所以出現鐵素體帶和索氏體帶，是因為當鉻鐵粉膏塊表面與高溫鋼水接觸后迅速熔化，由于鉻與碳的親和力大，鉻奪走了鋼水中的碳原子，使得接觸面上鋼水發生嚴重貧碳，凝固時先結晶出高溫鐵素體，部分鐵素體與鋼液發生包晶反應得到奧氏體。由于界面上凝固得很快，使得未來得及發生包晶反應的鐵素體保留到室溫，形成鐵素體帶。同時，鉻屬于擴大奧氏體區域的元素，生成的奧氏體溶入一定量的合金元素，室溫下轉變為索氏體帶。界面上的這一鐵素體帶有利于減少凝固過程中由于熱應力和相變應力以及機械應力帶來的剝落和裂紋傾向。
　　
　　圖2為鑄態及正火態下的表層復合材料的表面層、過渡結合區至基體的洛氏硬度變化曲線。硬度曲線表明合金化表面層至基體硬度是連續變化的，并呈下降趨勢。表面層（距表面1.5mm內）硬度最高，原因在于靠近型壁的合金顆粒幾乎是原位熔化與鋼液混合，因而在表層及次表層形成由大量合金碳化物M7C3組成的復合層區域。從表面復合至過渡區結合界面，硬度下降十分緩慢，在過渡區結合界面處硬度急劇降低，原因在于，在近界面處合金元素含量高，而在界面處合金元素迅速下降，見圖3。
　　
　　從金相組織以及界面處材料洛氏硬度分布可知，復合層與基體的結合是冶金結合。
　　3表面復合材料界面形成機理
　　增強材料因其物理和化學特性均與液態金屬不同，勢必對材料凝固過程中的傳熱、傳質和傳動過程產生明顯的影響，致使復合層的凝固過程及其組織都與基體金屬有較大差異。
　　復合材料的鑄滲層以及結合界面的形成過程，主要是ZG45鋼液向高碳鉻鐵合金顆粒的浸滲、合金顆粒的熔化及隨后與滲入鋼水的混合和元素擴散及最終的凝固結晶過程，其中鋼水向合金顆粒的浸滲過程是決定形成界面的關鍵。如圖4所示，鋼水澆入前，在添加劑的作用下，合金顆粒被牢牢地聯結在一起；鋼水澆入后，靠近鋼水的添加劑迅速熔化并以液體形式存在于合金顆粒之間，對表面產生凈化作用，最終形成渣液而溢出。而且高溫鋼液的澆入，導致復合層部分合金顆粒的熔化，致使合金元素的重組，從而由界面到鑄型處形成了Cr,C等元素的濃度剃度，如圖3)。
　　
　　離型壁較遠的部分合金顆粒，邊熔化邊向ZG45鋼液漂移一定距離，凝固結晶形成一定寬度的過渡區。從過渡區向外，因受合金顆粒及型壁的激冷作用，滲入鋼水的溫度下降、粘度增加、流動能力降低，致使合金顆粒的熔化及隨后與滲入鋼水的混合及元素間相互擴散的能力越來越弱，尤其是靠近型壁的合金顆粒幾乎是原位熔化與鋼液混合，最終形成由里到外具有較大差異的鑄滲復合層組織。
　　4結論
　　4.1采用普通砂型鑄造工藝，成功制備出了高鉻鑄鐵增強ZG45鋼基表層復合材料；
　　4.2鑄滲層與鋼基體之間為冶金結合；
　　4.3復合材料的硬度由表面至鋼基體逐漸降低，結合界面起到降低應力、傳遞載荷的作用；
　　4.4復合材料結合界面的形成主要是鋼水向合金顆粒的浸滲、合金顆粒的熔化及隨后與滲入鋼水的混合及元素擴散及最終的凝固過程。
　　參考文獻：
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