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Cr3C2含量对Cr3C2/Ni3Al复合材料摩擦磨损性能的影响

采用热等静压法制备Ni3Al合金和Cr3C2含量不同的Ni3Al基复合耐磨材料,利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪及摩擦磨损试验机,系统地研究Cr3C2含量对材料组织特征、硬度及摩擦磨损性能的影响.结果表明:Cr3C2/Ni3Al复合材料中,Cr3C2颗粒与Ni3Al颗粒之间发生互扩散作用,使部分Cr3C2颗粒转变为M7C3(M=Cr,Fe,Ni)结构;在特定的摩擦磨损条件下,随着Ni3Al基体中Cr3C2比例增大,Cr3C2/Ni3Al复合材料的耐磨性能显著提高,达到了Ni3Al合金耐磨性能的4~10倍.此外,随着Ni3Al基体中Cr3C2比例的增大,Cr3C2/Ni3Al复合材料对对磨盘的切削、刮擦作用减弱,对磨盘的磨损量减少.
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工程科学学报,第38卷,第8期:1145-1152,2016年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.8:1145-1152,August 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.08.014:http://journals..ustb.edu.cn Cr3C2含量对CrC2NiAl复合材料摩擦磨损性能的 影响 傅丽华2》,韩伟)区,谢琰军”,李长海》,董超芳》,赵琳”,田志凌) 1)钢铁研究总院,北京1000812)北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083 3)查尔姆斯理工大学材料与制造技术学院,哥德堡SE41296,瑞典 ☒通信作者,E-mail:hanw@cisri..com.cn 摘要采用热等静压法制备Ni3Al合金和Cr3C2含量不同的NiAl基复合耐磨材料,利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪 及摩擦磨损试验机,系统地研究C3C2含量对材料组织特征、硬度及摩擦磨损性能的影响.结果表明:C3C2/Ni3Al复合材料 中,CrC2颗粒与NiAl颗粒之间发生互扩散作用,使部分Cr3C2颗粒转变为M,C:(M=Cr,Fe,Ni)结构:在特定的摩擦磨损 条件下,随着Ni3Al基体中CC2比例增大,CrC2/Ni,A1复合材料的耐磨性能显著提高,达到了Ni,A1合金耐磨性能的4~10 倍.此外,随着NA基体中CrC,比例的增大,C3C2/Nig Al复合材料对对磨盘的切削、刮擦作用减弱,对磨盘的磨损量减少. 关键词金属间化合物:热等静压:颗粒增强复合材料:微观组织:摩擦磨损 分类号TB333 Influence of Cr3 C2 content on the wear properties of Cr3C2/Ni,Al composites FU Li-hua2),HAN Wei,XIE Yan-jun,LI Chang-hai,DONG Chao-fang",ZHAO Lin,TIAN Zhi-ling 1)Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China 2)School of Material Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Department of Materials and Manufacturing Technology,Chalmers University of Technology,Goteborg SE-41296,Sweden Corresponding author,E-mail:hanw@cisri.com.cn ABSTRACT The Ni,Al-alloy and its composites with different Cr,C contents were fabricated by a hot isostatic pressing (HIP) technique.The influences of Cr,C content on the microstructure,hardness and wear properties of the CrC/Ni,Al composites were investigated by scanning electron microscopy (SEM),energy dispersive spectroscopy (EDS),X-ray diffraction (XRD)and wear tribometry.The results show that inter-diffusion occurs between the original CrC,and the Ni,Al particles during the HIP process and the Cr,C particles partially transform into M,C(M=Cr,Fe,Ni)structures.Under specific friction and wear conditions,the wear resistance of the CraC/Ni,Al composites is significantly improved due to the addition of CraC2 particles by about 4-10 times, compared to the Ni Al alloy.In addition,the cutting and scraping effects of counter-part disks by the Cr:C2/Ni,Al composites decrea- ses with increasing Cr C,addition,resulting in a reduction in wear rate of counter-part disks. KEY WORDS intermetallic compounds:hot isostatic pressing:particle reinforced composites;microstructure;wear 随着汽车、船舶及航空领域内燃机向着“三高三 和低排放)方向不断地发展,使得内燃机的工作条件 低”(即高效率、高功率、高转速、低噪音、低燃油消耗极其苛刻。一台内燃机中存在成千上百个摩擦组件, 收稿日期:2016-05-26 基金项目:国家国际科技合作专项资助项目(2015DFA50970,2012DFG51670):清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目 (SKLTKF14B11)

工程科学学报,第 38 卷,第 8 期: 1145--1152,2016 年 8 月 Chinese Journal of Engineering,Vol. 38,No. 8: 1145--1152,August 2016 DOI: 10. 13374 /j. issn2095--9389. 2016. 08. 014; http: / /journals. ustb. edu. cn Cr3 C2 含量对 Cr3 C2 /Ni3 Al 复合材料摩擦磨损性能的 影响 傅丽华1,2) ,韩 伟1) ,谢琰军1) ,李长海3) ,董超芳2) ,赵 琳1) ,田志凌1) 1) 钢铁研究总院,北京 100081 2) 北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083 3) 查尔姆斯理工大学材料与制造技术学院,哥德堡 SE-412 96,瑞典  通信作者,E-mail: hanw@ cisri. com. cn 摘 要 采用热等静压法制备 Ni3Al 合金和 Cr3C2 含量不同的 Ni3Al 基复合耐磨材料,利用扫描电镜、能谱仪、X 射线衍射仪 及摩擦磨损试验机,系统地研究 Cr3C2 含量对材料组织特征、硬度及摩擦磨损性能的影响. 结果表明: Cr3C2 /Ni3Al 复合材料 中,Cr3C2 颗粒与 Ni3Al 颗粒之间发生互扩散作用,使部分 Cr3C2 颗粒转变为 M7C3 ( M = Cr,Fe,Ni) 结构; 在特定的摩擦磨损 条件下,随着 Ni3Al 基体中 Cr3C2 比例增大,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的耐磨性能显著提高,达到了 Ni3Al 合金耐磨性能的 4 ~ 10 倍. 此外,随着 Ni3Al 基体中 Cr3C2 比例的增大,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料对对磨盘的切削、刮擦作用减弱,对磨盘的磨损量减少. 关键词 金属间化合物; 热等静压; 颗粒增强复合材料; 微观组织; 摩擦磨损 分类号 TB333 Influence of Cr3C2 content on the wear properties of Cr3C2 /Ni3Al composites FU Li-hua1,2) ,HAN Wei1)  ,XIE Yan-jun1) ,LI Chang-hai3) ,DONG Chao-fang2) ,ZHAO Lin1) ,TIAN Zhi-ling1) 1) Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China 2) School of Material Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3) Department of Materials and Manufacturing Technology,Chalmers University of Technology,Goteborg SE-412 96,Sweden  Corresponding author,E-mail: hanw@ cisri. com. cn ABSTRACT The Ni3Al-alloy and its composites with different Cr3C2 contents were fabricated by a hot isostatic pressing ( HIP) technique. The influences of Cr3C2 content on the microstructure,hardness and wear properties of the Cr3C2 /Ni3Al composites were investigated by scanning electron microscopy ( SEM) ,energy dispersive spectroscopy ( EDS) ,X-ray diffraction ( XRD) and wear tribometry. The results show that inter-diffusion occurs between the original Cr3C2 and the Ni3Al particles during the HIP process and the Cr3C2 particles partially transform into M7C3 ( M = Cr,Fe,Ni) structures. Under specific friction and wear conditions,the wear resistance of the Cr3C2 /Ni3Al composites is significantly improved due to the addition of Cr3C2 particles by about 4 - 10 times, compared to the Ni3Al alloy. In addition,the cutting and scraping effects of counter-part disks by the Cr3C2 /Ni3Al composites decrea￾ses with increasing Cr3C2 addition,resulting in a reduction in wear rate of counter-part disks. KEY WORDS intermetallic compounds; hot isostatic pressing; particle reinforced composites; microstructure; wear 收稿日期: 2016--05--26 基金项目: 国家国际科技合作专项资助项目 ( 2015DFA50970,2012DFG51670 ) ; 清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目 ( SKLTKF14B11) 随着汽车、船舶及航空领域内燃机向着“三高三 低”( 即高效率、高功率、高转速、低噪音、低燃油消耗 和低排放) 方向不断地发展,使得内燃机的工作条件 极其苛刻. 一台内燃机中存在成千上百个摩擦组件

·1146… 工程科学学报,第38卷,第8期 如气缸、活塞、活塞环、传动轴和喷嘴阀,这就对材料的 100MPa的条件下热等静压处理3h,分别制备出块状 高温力学性能和摩擦磨损性能提出严峻地挑战.因此 Ni3Al合金(Cr,C2添加量为0%)及CrC2含量不同的 研究开发具有优异综合性能的新型耐摩材料,提高内 CrC2/Ni3Al复合材料,其成分组成如表1所示.其中, 燃机的使用寿命和工作性能是亟需解决的科学问题. 图1给出热等静压(hot isostatic pressing,HP)过程的 金属间化合物因拥有长程有序的晶体结构,其原子间 工艺流程图. 结合力强、强度高且变形硬化能力好,具有强度一温度 表1NiA1合金和Cr3C2/Ni,A1复合材料的成分组成(体积分数) 的反常特性(其强度在一定温度范围内随温度的升高 Table 1 Compositions of the Ni,Al-alloy and CrC2/Ni Al composites 而增大),被广泛应用于高温耐磨领域网.在众多金 属间化合物中,Ni,AI金属间化合物具有高温抗氧化、 样品 组成 抗渗碳能力优良B,耐腐蚀性好回,抗气蚀、冲刷性 NACI NigAl 能优异等特点因,因此Ni,A1金属间化合物在高温摩 NaC2 Nis Al +6%Cra C2 擦磨损领域引起广泛关注团.为了使Ni,Al金属间化 NAC3 Nis Al+12%CraC2 合物充分满足高温耐磨领域下的需求,通常选用高硬 NAC4 Ni:Al+18%CraC2 度、高强度、难熔的碳化物、氧化物、硼化物和氮化物等 NAC5 Nis Al +24%Cr C2 材料作为强化相添加到Ni,A1金属间化合物中,获得 颗粒增强的N,Al基复合材料,进而提高其耐磨性 能圆.对于Ni,A基复合材料强化相的选择通常需要 包套设计 粉末填充 包套密封 满足以下条件网:一方面具备优良的热硬度、热强度和 抗氧化性,另一方面与N,A1基有很好的润湿性.相关 HP试样 包套拆除 HP处理 研究表明,部分碳化物(如WC和Cr,C)与Ni,A1基体 具有良好的界面润湿性且具有优良的热力学性能,成 图1热等静压过程的工艺流程 为目前Ni,Al基耐磨材料理想的强化相o- Fig.I Technological process for hot isostatic pressing 基于Cr,C2是一种优异的高温抗氧化的强化相, 利用荷兰NOVA NANOSEM450场发射扫描电镜 且具有与N,Al基体结合力好、润湿性优良等优点,因 对Ni,Al合金及Cr,C2/Ni,Al复合材料显微组织进行 此把CrC2添加到Ni3Al基材中,充分利用二者的优 观察和分析,用德国D8 ADVENCE X射线衍射仪进行 势,得到一种高温耐磨性能优异的CrC2Ni,Al复合材 物相分析.采用HRS-150洛氏硬度计对材料硬度进 料02-.以往相关研究表明,C,C21Ni,A1复合材料 行测试,载荷为150kg,保载时间为4s,每个样品测三 中Cr,C2相在摩损过程中承受摩擦力的作用,而NiAl 次取平均值进行分析.为了评价Cr,C2含量对Ni,Al 基体承受协调变形、缓冲冲击的作用-.Cr,C,的加基复合材料摩擦磨损性能的影响,采用德国Optimal 入对复合材料体系的硬度和韧性都有比较明显的影SRV®4多功能摩擦磨损试验机进行销一盘式摩擦磨 响,然而Cr,C2含量对CrC2/Ni3Al复合材料硬度及摩损试验,如图2所示.在磨损试验中,销为Ni,Al合金 擦磨损性能影响的研究却鲜有报道.由于工业实际应 和Cr,C2含量不同的Cr,C2Ni,A1复合材料,其尺寸为 用的需要,开展不同CC,含量对镍铝基体材料相关 3mm×2mm×14mm.由于汽车、轮船内燃机活塞、气 性能的研究,具有重要的实际应用价值和学术意义· 缸套及气阀座垫常用耐磨材料为铸铁类(如灰铸铁和 本文采用热等静压技术,制备C,C,含量不同的 蠕墨铸铁),因此本试验选用灰铸铁作为对磨盘,其化 Ni,Al基复合耐磨材料,研究Cr,C2含量对Cr,C2Ni,Al 学成分为(质量分数,%):Fe93.41,C3.20,Si1.10, 复合材料组织和性能的影响,分析硬度及摩擦磨损性 Mn0.80,S0.07,P0.2,Cu1.0,V0.22,尺寸为 能与Cr,C2含量的关系,并探索Cr,C,Ni3Al复合材料 滑动方向 体系的摩擦磨损机制 1 试验材料及方法 采用Ni,Al合金粉末作为基体材料,其化学成分 为(质量分数,%):Ni77.3,19.87,fe11.63, Mn0.5,Ti0.5,B0.2.将NiAl合金粉末(40~ 100μm)和不同体积分数(0~24%)的Cr,C2粉末 图2销-盘式磨损试验示意图 (20um)混合均匀,在温度1130~1160℃和压力 Fig.2 Diagrammatic sketch of the pin-on-disk wear test

工程科学学报,第 38 卷,第 8 期 如气缸、活塞、活塞环、传动轴和喷嘴阀,这就对材料的 高温力学性能和摩擦磨损性能提出严峻地挑战. 因此 研究开发具有优异综合性能的新型耐摩材料,提高内 燃机的使用寿命和工作性能是亟需解决的科学问题. 金属间化合物因拥有长程有序的晶体结构,其原子间 结合力强、强度高且变形硬化能力好,具有强度--温度 的反常特性( 其强度在一定温度范围内随温度的升高 而增大) ,被广泛应用于高温耐磨领域[1--2]. 在众多金 属间化合物中,Ni3Al 金属间化合物具有高温抗氧化、 抗渗碳能力优良[3--4],耐腐蚀性好[5],抗气蚀、冲刷性 能优异等特点[6],因此 Ni3Al 金属间化合物在高温摩 擦磨损领域引起广泛关注[7]. 为了使 Ni3Al 金属间化 合物充分满足高温耐磨领域下的需求,通常选用高硬 度、高强度、难熔的碳化物、氧化物、硼化物和氮化物等 材料作为强化相添加到 Ni3Al 金属间化合物中,获得 颗粒增 强 的 Ni3Al 基复 合 材 料,进 而 提 高 其 耐 磨 性 能[8]. 对于 Ni3Al 基复合材料强化相的选择通常需要 满足以下条件[9]: 一方面具备优良的热硬度、热强度和 抗氧化性,另一方面与 Ni3Al 基有很好的润湿性. 相关 研究表明,部分碳化物( 如 WC 和 Cr3C2 ) 与 Ni3Al 基体 具有良好的界面润湿性且具有优良的热力学性能,成 为目前 Ni3Al 基耐磨材料理想的强化相[10--11]. 基于 Cr3C2 是一种优异的高温抗氧化的强化相, 且具有与 Ni3Al 基体结合力好、润湿性优良等优点,因 此把 Cr3C2 添加到 Ni3Al 基材中,充分利用二者的优 势,得到一种高温耐磨性能优异的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材 料[10,12--13]. 以往相关研究表明,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料 中 Cr3C2 相在摩损过程中承受摩擦力的作用,而 Ni3Al 基体承受协调变形、缓冲冲击的作用[14--15]. Cr3C2 的加 入对复合材料体系的硬度和韧性都有比较明显的影 响,然而 Cr3C2 含量对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料硬度及摩 擦磨损性能影响的研究却鲜有报道. 由于工业实际应 用的需要,开展不同 Cr3C2 含量对镍铝基体材料相关 性能的研究,具有重要的实际应用价值和学术意义. 本文采用热等静压技术,制备 Cr3C2 含量不同的 Ni3Al 基复合耐磨材料,研究 Cr3C2 含量对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料组织和性能的影响,分析硬度及摩擦磨损性 能与 Cr3C2 含量的关系,并探索 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料 体系的摩擦磨损机制. 1 试验材料及方法 采用 Ni3Al 合金粉末作为基体材料,其化学成分 为( 质 量 分 数,% ) : Ni 77. 3,Al 9. 87,Fe 11. 63, Mn 0. 5,Ti 0. 5,B 0. 2. 将 Ni3Al 合 金 粉 末 ( 40 ~ 100 μm) 和 不 同 体 积 分 数 ( 0 ~ 24% ) 的 Cr3C2 粉 末 ( 20 μm) 混 合 均 匀,在 温 度 1130 ~ 1160 ℃ 和 压 力 100 MPa的条件下热等静压处理 3 h,分别制备出块状 Ni3Al 合金( Cr3C2 添加量为 0% ) 及 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料,其成分组成如表 1 所示. 其中, 图 1 给出热等静压( hot isostatic pressing,HIP) 过程的 工艺流程图. 表 1 Ni3Al 合金和 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的成分组成( 体积分数) Table 1 Compositions of the Ni3Al-alloy and Cr3C2 /Ni3Al composites % 样品 组成 NAC1 Ni3Al NAC2 Ni3Al + 6% Cr3C2 NAC3 Ni3Al + 12% Cr3C2 NAC4 Ni3Al + 18% Cr3C2 NAC5 Ni3Al + 24% Cr3C2 图 1 热等静压过程的工艺流程 Fig. 1 Technological process for hot isostatic pressing 利用荷兰 NOVA NANOSEM 450 场发射扫描电镜 对 Ni3Al 合金及 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料显微组织进行 观察和分析,用德国 D8 ADVENCE X 射线衍射仪进行 物相分析. 采用 HRS--150 洛氏硬度计对材料硬度进 行测试,载荷为 150 kg,保载时间为 4 s,每个样品测三 次取平均值进行分析. 为了评价 Cr3C2 含量对 Ni3Al 基复合材料摩擦磨损性能的影响,采用德国 Optimal SRV  4 多功能摩擦磨损试验机进行销--盘式摩擦磨 图 2 销--盘式磨损试验示意图 Fig. 2 Diagrammatic sketch of the pin-on-disk wear test 损试验,如图 2 所示. 在磨损试验中,销为 Ni3Al 合金 和 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料,其尺寸为 3 mm × 2 mm × 14 mm. 由于汽车、轮船内燃机活塞、气 缸套及气阀座垫常用耐磨材料为铸铁类( 如灰铸铁和 蠕墨铸铁) ,因此本试验选用灰铸铁作为对磨盘,其化 学成分为( 质量分数,% ) : Fe 93. 41,C 3. 20,Si 1. 10, Mn 0. 80,S 0. 07,P 0. 2,Cu 1. 0,V 0. 22,尺寸 为 · 6411 ·

傅丽华等:Cr,C2含量对Cr3C2/NiAl复合材料摩擦磨损性能的影响 ·1147· b24mm×7.88mm.摩擦磨损试验条件为:干摩擦磨 在基体相和强化相两相组织.在Cr,C2/Ni,A1复合材 损,载荷为48N,冲程为1mm,频率为50Hz,磨损时间 料中,如图3(b)~(e)所示,强化相是均匀分布于 为l5min.磨损试验前后对销和盘进行超声清洗,并采 Ni,Al基体中,且强化相在基体中所占比例随Cr,C,添 用高精度分析天平进行称量,记下磨损前质量m,和 加量的增大而上升.对试样NAC3的微观组织进行局 磨损后质量m2,然后计算磨损量△m=m1-m2 部放大,如图3()所示,可以发现CC2/Ni,Al复合材 2试验结果与分析 料中的强化相以两种形式存在:颜色较深的硬芯相和 颜色较浅的扩散相,且硬芯相的外围分布着扩散相. 2.1微观组织及结构分析 对硬芯相和扩散相分别进行能谱分析,结果如图4(a) 图3是Ni,Al合金和Cr,C2体积分数不同的 和(b)所示.由图可知,硬芯相主要由C和C元素组 Cr,C2/NiAI复合材料的微观组织形貌图.由图可知, 成,扩散相除了存在Cr和C元素,还出现了Fe和Ni Ni,Al合金由单相组织组成,Cr,C2Ni,A1复合材料存 的信号峰.基体相的能谱结果如图4(c)所示,谱图中 (a) b 404m 100m 100μm 100m 100um 40μm 图3Ni3Al合金和Cr3C2体积分数不同的Cr3C2/Ni,Al复合材料的微观组织.(a)Ni,Al合金:(b)6%Cr3C2;(c)12%Cr3C2:(d)18% Cr3C2:(e)24%Cr3C2:(0NAC3样品在高放大倍数下 Fig.3 Microstructures of the Ni:Al-alloy and CraC2/Ni:Al composites with various CrC,contents:(a)Ni:Al-alloy:(b)6%CrC2:(c)12% Cra C2:(d)18%Cra C2:(e)24%CraC2:(f)high magnification of the NAC3 sample

傅丽华等: Cr3C2 含量对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料摩擦磨损性能的影响 24 mm × 7. 88 mm. 摩擦磨损试验条件为: 干摩擦磨 损,载荷为 48 N,冲程为 1 mm,频率为 50 Hz,磨损时间 为15 min. 磨损试验前后对销和盘进行超声清洗,并采 用高精度分析天平进行称量,记下磨损前质量 m1 和 磨损后质量 m2,然后计算磨损量 Δm = m1 - m2 . 2 试验结果与分析 图 3 Ni3Al 合金和 Cr3C2 体积分数不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的微观组织. ( a) Ni3Al 合金; ( b) 6% Cr3C2 ; ( c) 12% Cr3C2 ; ( d) 18% Cr3C2 ; ( e) 24% Cr3C2 ; ( f) NAC3 样品在高放大倍数下 Fig. 3 Microstructures of the Ni3Al-alloy and Cr3C2 /Ni3Al composites with various Cr3C2 contents: ( a) Ni3Al-alloy; ( b) 6% Cr3C2 ; ( c) 12% Cr3C2 ; ( d) 18% Cr3C2 ; ( e) 24% Cr3C2 ; ( f) high magnification of the NAC3 sample 2. 1 微观组织及结构分析 图 3 是 Ni3Al 合 金 和 Cr3C2 体积分数不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的微观组织形貌图. 由图可知, Ni3Al 合金由单相组织组成,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料存 在基体相和强化相两相组织. 在 Cr3C2 /Ni3Al 复合材 料中,如 图 3 ( b) ~ ( e) 所 示,强化相是均匀分布于 Ni3Al 基体中,且强化相在基体中所占比例随 Cr3C2 添 加量的增大而上升. 对试样 NAC3 的微观组织进行局 部放大,如图 3( f) 所示,可以发现 Cr3C2 /Ni3Al 复合材 料中的强化相以两种形式存在: 颜色较深的硬芯相和 颜色较浅的扩散相,且硬芯相的外围分布着扩散相. 对硬芯相和扩散相分别进行能谱分析,结果如图 4( a) 和( b) 所示. 由图可知,硬芯相主要由 Cr 和 C 元素组 成,扩散相除了存在 Cr 和 C 元素,还出现了 Fe 和 Ni 的信号峰. 基体相的能谱结果如图 4( c) 所示,谱图中 · 7411 ·

·1148 工程科学学报,第38卷,第8期 除了原始N,A!粉末中的主要成分外,还出现了少量 原始颗粒之间发生了互扩散作用,Cr,C,颗粒中的C Cr和C元素信号峰.由此可以推断,在热等静压条件 和C元素往基体相中发生扩散,而NiAl颗粒中的Fe 下,CrC2/Ni,Al复合材料中Ni3Al原始颗粒和CrC2 和Ni元素往强化相中发生扩散. 2500f 1500 (b) 2000 1200 Cr 81500 900 e Cr 500 300 Cr 八 4 能异从eV 能量eV 1500- (e) 1200 Ni 最 900- 600 300- 0-八 Cr Cr 4 6 能量eV 图4Cr3C2/NiAl复合材料中不同相的能谱结果.(a)硬芯相:(b)扩散相:(c)基材相 Fig.4 Energy spectra of different phases in the CraC2/NiAl composites:(a)hard core phase:(b)diffusion phase:(c)matrix phase 采用甘油对Cr,C2/Ni3A复合材料进行电解,提取 C/C原子比,使得颗粒中心区域(即硬芯相)仍是 出强化相,然后分别对基体相和强化相进行X射线衍 Cr,C2结构. 射测试,结果如图5所示.结果表明,基体相主要是 25000 7500 Ni,Al结构,强化相中主要存在Cr,C2和M,C,(M=Cr, Ni.Al 20000 M.C,(M=Cr,Fe.Ni) 6000 Fe,Ni)两种结构.结合X射线衍射和上述能谱分析 Cr C. 结果,表明硬芯相为Cr,C2结构,扩散相为M,C,(M= 15000 4500 Cr,Fe,Ni)结构.这种结构的形成是因为Cr,C,颗粒 R8 10000 3000 的熔点(1890℃)高于试验温度(1130~1160℃),其不 会发生完全熔化:但在高温高压下,Cr,C2颗粒会部分 500 1500 或全部发生溶解,同时颗粒外围的C和C元素向基体 中发生扩散(与上述能谱分析结果相一致);由于C 动40500008 29) 和C元素的扩散,会消耗Cr,C,颗粒中Cr和C含量并 图5Cr3C2/NiAI复合材料中基体相(a)和强化相(b)的X射 扰乱碳化物中的Cr/C原子比,使得外围碳化物颗粒在 线衍射谱 冷却过程中再结晶为稳定结构的Cr,C,结构6-切:同 Fig.5 X-tay diffraction patterns of the matrix phase (a)and the 时,由于Fe易与碳化物中的C形成稳定碳化物,使得 strengthening phase (b)in the CrC2/Ni Al composites 基体相中的Fe往碳化物中发生扩散;而Fe原子和Cr 原子的晶体结构相似,原子半径相近,会置换C,C,结 2.2硬度分析 构中的部分Cr原子,形成M,C,(M=Cr,Fe,Ni)结 硬度是影响材料耐磨性能的一个重要因素,本试 构.然而,当添加的CrC2颗粒尺寸稍大时,颗粒中心 验对NiAl合金和CC,含量不同的Cr,C2/NiAl复合 区域还没发生Cr和C元素向基体中的扩散,不会扰乱 材料分别进行洛氏硬度HRC测量.图6为Ni,AI合金

工程科学学报,第 38 卷,第 8 期 除了原始 Ni3Al 粉末中的主要成分外,还出现了少量 Cr 和 C 元素信号峰. 由此可以推断,在热等静压条件 下,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料中 Ni3Al 原始颗粒和 Cr3C2 原始颗粒之间发生了互扩散作用,Cr3C2 颗粒中的 Cr 和 C 元素往基体相中发生扩散,而 Ni3Al 颗粒中的 Fe 和 Ni 元素往强化相中发生扩散. 图 4 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料中不同相的能谱结果. ( a) 硬芯相; ( b) 扩散相; ( c) 基材相 Fig. 4 Energy spectra of different phases in the Cr3C2 /Ni3Al composites: ( a) hard core phase; ( b) diffusion phase; ( c) matrix phase 采用甘油对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料进行电解,提取 出强化相,然后分别对基体相和强化相进行 X 射线衍 射测试,结果如图 5 所示. 结果表明,基体相主要是 Ni3Al 结构,强化相中主要存在 Cr3C2 和 M7C3 ( M = Cr, Fe,Ni) 两种结构. 结合 X 射线衍射和上述能谱分析 结果,表明硬芯相为 Cr3C2 结构,扩散相为 M7 C3 ( M = Cr,Fe,Ni) 结构. 这种结构的形成是因为 Cr3C2 颗粒 的熔点( 1890 ℃ ) 高于试验温度( 1130 ~ 1160 ℃ ) ,其不 会发生完全熔化; 但在高温高压下,Cr3C2 颗粒会部分 或全部发生溶解,同时颗粒外围的 Cr 和 C 元素向基体 中发生扩散 ( 与上述能谱分析结果相一致) ; 由于 Cr 和 C 元素的扩散,会消耗 Cr3C2 颗粒中 Cr 和 C 含量并 扰乱碳化物中的 Cr /C 原子比,使得外围碳化物颗粒在 冷却过程中再结晶为稳定结构的 Cr7 C3 结构[16--17]; 同 时,由于 Fe 易与碳化物中的 C 形成稳定碳化物,使得 基体相中的 Fe 往碳化物中发生扩散; 而 Fe 原子和 Cr 原子的晶体结构相似,原子半径相近,会置换 Cr7 C3结 构中的部分 Cr 原子,形成 M7 C3 ( M = Cr,Fe,Ni) 结 构. 然而,当添加的 Cr3C2 颗粒尺寸稍大时,颗粒中心 区域还没发生 Cr 和 C 元素向基体中的扩散,不会扰乱 Cr /C 原子 比,使 得 颗 粒 中 心 区 域 ( 即 硬 芯 相) 仍 是 Cr3C2 结构. 图 5 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料中基体相( a) 和强化相( b) 的 X 射 线衍射谱 Fig. 5 X-ray diffraction patterns of the matrix phase ( a) and the strengthening phase ( b) in the Cr3C2 /Ni3Al composites 2. 2 硬度分析 硬度是影响材料耐磨性能的一个重要因素,本试 验对 Ni3Al 合金和 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合 材料分别进行洛氏硬度 HRC 测量. 图 6 为 Ni3Al 合金 · 8411 ·

傅丽华等:Cr,C2含量对CC,/Ni,Al复合材料摩擦磨损性能的影响 ·1149· 和Cr,C,Ni,A1复合材料的洛氏硬度HRC结果.随着 验研究条件下,Ni,Al合金的磨损量为2.18mg;当 Cr,C2含量的提高,Cr,C,Ni,Al复合材料硬度显著增 Cr,C2添加的体积分数为6%时,CrC2Ni3A1复合材料 加.NiA1合金硬度为43.23HRC:体积分数为6%的 的磨损量明显减少(0.50mg),约为Ni3Al合金磨损量 CrC2加入Ni,Al基体中,硬度上升到48.07HRC:当 的25%;当Cr,C2的体积分数达到24%时,CrC2/ CrC2/Ni,Al复合材料中CrC2体积分数为18%时,硬 Ni,Al复合材料的磨损量仅为0.20mg.图中结果表 度达到54.37HRC.与NiAI合金比较,Cr,C2/Ni3A复 明,随着Ni,Al基体中Cr,C2比例的增大,Cr,C2/Ni,Al 合材料硬度显著提高的原因在于:一方面,C,C2硬度 复合材料耐磨性能显著提高.体积分数为6%~24% (约为24.41GPa)远高于Ni,Al硬度(约为4.16GPa),的Cr,C2加入Ni,Al基体中,与Ni,A合金相比,Cr,C,/ Cr,C,添加至Ni,Al基体中,提升了材料的整体硬度:Ni,A1复合材料的耐磨性能提高了4~10倍.图7(b) 另一方面,在热等静压过程中Cr,C,中的Cr元素向 所示的是Ni,Al合金和Cr,C2含量不同的Cr,C,/Ni,AI NiAl基体中扩散,而Cr是强化NiAl基合金的常用 复合材料的对磨盘磨损量变化趋势图.N,Al合金对 元素,它有固溶强化作用,能在一定程度上提高合金的 磨盘的磨损量为2.34mg:当Ni3Al合金中添加Cr,C2 强度和硬度,因此CrC,/Ni,A1复合材料硬度提高.文 的体积分数为6%时,其对磨盘的磨损量明显上升,达 中对对磨灰铸铁进行了布氏硬度测量,约为210HB, 到了3.27mg,约为Ni,A1合金对磨盘磨损量的1.4 相当于15.6HRC. 倍:随着Cr,C2含量进一步增加,Cr,C2/NiAl复合材 70 料对磨盘的磨损量反而逐渐减小,当Cr,C,的体积分 数为24%时,其对磨盘的磨损量降为2.49mg,与N3A1 60 合金对磨盘的磨损量相当.由此可知,C,C,添加后对 对磨盘有一定的损害作用,但随Cr,C2添加量的增大, 这种损害作用逐渐减少.表2为Ni,Al合金和Cr,C2 50 ■ 含量不同的C,C,/NiAl复合材料的摩擦系数值.表 ◇ 中结果表明,文中体系的摩擦系数在0.75~0.80的左 40 右波动,Cr,C,颗粒的添加对体系摩擦系数的影响规 律不明显.这是因为摩擦系数受到材料性质(如硬度、 30 10 15 25 强度和刚度)、表面粗糙度、工况参数等多个因素的影 Cr,C,的体积分数/% 表2样品的平均摩擦系数 图6Ni3A1合金和Cr3C2含量不同的CrC2INi3Al复合材料的 Table 2 Average friction coefficients of samples 硬度 样品 平均摩擦系数 Fig.6 Hardness of the Ni,Al-alloy and CrC2/Ni,Al composites NACl 0.76±0.05 with various Cra C2 contents Nac2 0.75±0.03 2.3摩擦磨损性能 NAC3 0.78±0.07 NAC4 NiAl合金和CrC2含量不同的Cr,C2/NiAI复合 0.80±0.06 NAC5 0.78±0.04 材料的磨损量结果如图7(a)所示.由图可知,在本试 251回 40间 2.0 3.5 △ 1.5 3.0 1.0 0.5 2.5 1015 2.0 20 25 0 101520 25 r,C,的体积分数/% CrC,的体积分数% 图7Cr3C2含量对Cr3C2/NiAl复合材料(a)和对磨盘(b)磨损量的影响 Fig.7 Effects of CraC content on the wear of the CraC2/NiAl composites (a)and counterpart disks (b)

傅丽华等: Cr3C2 含量对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料摩擦磨损性能的影响 和 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的洛氏硬度 HRC 结果. 随着 Cr3C2 含量的提高,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料硬度显著增 加. Ni3Al 合金硬度为 43. 23 HRC; 体积分数为 6% 的 Cr3C2 加入 Ni3Al 基体中,硬度上升到 48. 07 HRC; 当 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料中 Cr3C2 体积分数为 18% 时,硬 度达到 54. 37 HRC. 与 Ni3Al 合金比较,Cr3C2 /Ni3Al 复 合材料硬度显著提高的原因在于: 一方面,Cr3C2 硬度 ( 约为 24. 41 GPa) 远高于 Ni3Al 硬度( 约为 4. 16 GPa) , Cr3C2 添加至 Ni3Al 基体中,提升了材料的整体硬度; 另一方面,在热等静压过程中 Cr3C2 中的 Cr 元素向 Ni3Al 基体中扩散,而 Cr 是强化 Ni3Al 基合金的常用 元素,它有固溶强化作用,能在一定程度上提高合金的 强度和硬度,因此 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料硬度提高. 文 中对对磨灰铸铁进行了布氏硬度测量,约为 210 HB, 相当于 15. 6 HRC. 图 6 Ni3Al 合金和 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的 硬度 Fig. 6 Hardness of the Ni3Al-alloy and Cr3C2 /Ni3Al composites with various Cr3C2 contents 图 7 Cr3C2 含量对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料( a) 和对磨盘( b) 磨损量的影响 Fig. 7 Effects of Cr3C2 content on the wear of the Cr3C2 /Ni3Al composites ( a) and counterpart disks ( b) 2. 3 摩擦磨损性能 Ni3Al 合金和 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合 材料的磨损量结果如图 7( a) 所示. 由图可知,在本试 验研 究 条 件 下,Ni3Al 合金的磨损量为 2. 18 mg; 当 Cr3C2 添加的体积分数为6% 时,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料 的磨损量明显减少( 0. 50 mg) ,约为 Ni3Al 合金磨损量 的 25% ; 当 Cr3C2 的 体 积 分 数 达 到 24% 时,Cr3C2 / Ni3Al 复合材料的磨损量仅为 0. 20 mg. 图中结果表 明,随着 Ni3Al 基体中 Cr3C2 比例的增大,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料耐磨性能显著提高. 体积分数为 6% ~ 24% 的 Cr3C2 加入 Ni3Al 基体中,与 Ni3Al 合金相比,Cr3C2 / Ni3Al 复合材料的耐磨性能提高了 4 ~ 10 倍. 图 7( b) 所示的是 Ni3Al 合金和 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的对磨盘磨损量变化趋势图. Ni3Al 合金对 磨盘的磨损量为 2. 34 mg; 当 Ni3Al 合金中添加 Cr3C2 的体积分数为 6% 时,其对磨盘的磨损量明显上升,达 到了 3. 27 mg,约为 Ni3Al 合金对磨盘磨损量的 1. 4 倍; 随着 Cr3C2 含量进一步增加,Cr3C2 /Ni3Al 复合材 料对磨盘的磨损量反而逐渐减小,当 Cr3C2 的体积分 数为 24% 时,其对磨盘的磨损量降为 2. 49 mg,与 Ni3Al 合金对磨盘的磨损量相当. 由此可知,Cr3C2 添加后对 对磨盘有一定的损害作用,但随 Cr3C2 添加量的增大, 这种损害作用逐渐减少. 表 2 为 Ni3Al 合金和 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的摩擦系数值. 表 中结果表明,文中体系的摩擦系数在 0. 75 ~ 0. 80 的左 右波动,Cr3C2 颗粒的添加对体系摩擦系数的影响规 律不明显. 这是因为摩擦系数受到材料性质( 如硬度、 强 度和刚度) 、表面粗糙度、工况参数等多个因素的影 表 2 样品的平均摩擦系数 Table 2 Average friction coefficients of samples 样品 平均摩擦系数 NAC1 0. 76 ± 0. 05 NAC2 0. 75 ± 0. 03 NAC3 0. 78 ± 0. 07 NAC4 0. 80 ± 0. 06 NAC5 0. 78 ± 0. 04 · 9411 ·

·1150… 工程科学学报,第38卷,第8期 响.Cr,C2颗粒添加后,体系表面突起的棱角增多,表 沟槽被中断的同时还出现了一些小碎片,这是因为复 面粗糙度增大,摩擦系数理应增大:但Cr,C2的添加又 合材料中Ni,Al和Cr,C2两种材料间存在一定的参数 会使体系的硬度、刚度增大,摩擦系数会减小,因此本 失配,在Ni,A-Cr,C,界面处会产生一定的残余应力 试验中摩擦系数随Cr,C,含量变化的规律不明显. (或应变):摩擦磨损过程中受到高能磨粒的撞击,这 对Ni,Al合金和CrC2体积分数不同的CrC2/ 些Ni,Al-Cr,C2界面处易形成微裂纹并发生扩展:当 Ni,A1复合材料磨损后的表面形貌进行分析,如图8所 体系中C,C,含量较高时,不同界面处的微裂纹易合 示.Ni,Al合金磨损后的表面有明显的沟槽,沟槽深且 并,并以细小碎片形式脱落.相关文献分析N,Al合金 宽,呈连续平行的刮痕状.当往N,Al基体中添加 的磨损机制时指出:NiA!合金在磨损过程中,摩擦表 C,C2颗粒形成复合材料后,其磨损表面的沟槽变浅 面在高应力及局部变形的作用下,首先形成一个硬度 变窄,且沟槽在铬碳化物处发生中断.CC,添加量越 呈梯度分布的次表面层:这一次表面层在接下来的磨 大,沟槽被中断的现象越明显.当C,C,添加的体积分 损中会逐渐形成裂纹,并以断裂片的形式脱落:脱落后 数为18%和24%时,Cr,C,/NiA1复合材料磨损表面 的断裂片作为磨粒,在摩擦副的相对运动中,对Ni,A1 (a) 50 um 50μm 504m 50 um 50 jm 图8Ni3Al合金和不同CrC2含量的Cr3C2/NiAl复合材料磨损表面形貌.(a)NiAl合金:(b)6%Cr3C2:(c)12%Cr3C2:(d)18% CraCz:(e)24%CraC2 Fig.8 Morphologies of wom surfaces for the Ni;Al-alloy and CrC2/Ni,Al composites with various CrC2 contents:(a)Ni,Al -alloy:(b)6% Cr3C2:(c)12%Cr3C2:(d)18%C3C2:(e24%C3C2

工程科学学报,第 38 卷,第 8 期 响. Cr3C2 颗粒添加后,体系表面突起的棱角增多,表 面粗糙度增大,摩擦系数理应增大; 但 Cr3C2 的添加又 会使体系的硬度、刚度增大,摩擦系数会减小,因此本 试验中摩擦系数随 Cr3C2 含量变化的规律不明显. 图 8 Ni3Al 合金和不同 Cr3C2 含量的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料磨损表面形貌. ( a) Ni3Al 合金; ( b) 6% Cr3C2 ; ( c) 12% Cr3C2 ; ( d) 18% Cr3C2 ; ( e) 24% Cr3C2 Fig. 8 Morphologies of worn surfaces for the Ni3Al-alloy and Cr3C2 /Ni3Al composites with various Cr3C2 contents: ( a) Ni3Al - alloy; ( b) 6% Cr3C2 ; ( c) 12% Cr3C2 ; ( d) 18% Cr3C2 ; ( e) 24% Cr3C2 对 Ni3Al 合金 和 Cr3C2 体积 分 数 不 同 的 Cr3C2 / Ni3Al 复合材料磨损后的表面形貌进行分析,如图 8 所 示. Ni3Al 合金磨损后的表面有明显的沟槽,沟槽深且 宽,呈连 续 平 行 的 刮 痕 状. 当 往 Ni3Al 基体 中 添 加 Cr3C2 颗粒形成复合材料后,其磨损表面的沟槽变浅 变窄,且沟槽在铬碳化物处发生中断. Cr3C2 添加量越 大,沟槽被中断的现象越明显. 当 Cr3C2 添加的体积分 数为 18% 和 24% 时,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料磨损表面 沟槽被中断的同时还出现了一些小碎片,这是因为复 合材料中 Ni3Al 和 Cr3C2 两种材料间存在一定的参数 失配,在 Ni3Al--Cr3C2 界面处会产生一定的残余应力 ( 或应变) ; 摩擦磨损过程中受到高能磨粒的撞击,这 些 Ni3Al--Cr3C2 界面处易形成微裂纹并发生扩展; 当 体系中 Cr3C2 含量较高时,不同界面处的微裂纹易合 并,并以细小碎片形式脱落. 相关文献分析 Ni3Al 合金 的磨损机制时指出: Ni3Al 合金在磨损过程中,摩擦表 面在高应力及局部变形的作用下,首先形成一个硬度 呈梯度分布的次表面层; 这一次表面层在接下来的磨 损中会逐渐形成裂纹,并以断裂片的形式脱落; 脱落后 的断裂片作为磨粒,在摩擦副的相对运动中,对 Ni3Al · 0511 ·

傅丽华等:Cr,C2含量对CC,/Ni,Al复合材料摩擦磨损性能的影响 *1151* 基体进行切削,从而造成基体材料的流失圆.基于 使Cr,C,/Ni,A1复合材料的耐磨性得到很大提高.在 上述Ni,Al合金的磨损机制,本试验向Ni3Al基体中添 本试验研究范围内,Cr,C2含量越大,Cr,C2NiA复合 加Cr,C2颗粒后,从以下几方面对Cr,C,/Ni,A1复合材 材料承受力的骨架越多,其磨损后的表面越不严重,耐 料的磨损性能产生影响:首先,C,C,颗粒添加到基体 磨性能越好,这与Gog等us-0的研究数据相一致. 后,在摩擦磨损过程中,它可以作为硬质支撑点,把摩 图9为Ni,Al合金和不同CrC2含量的Cr,C2/ 擦表面彼此分离,减少了摩擦副之间的直接接触;其 Ni,Al复合材料的对磨盘磨损后的表面形貌.图9(a) 次,CrC,颗粒的硬度高,将其添加到Ni3Al合金中可 表明,Ni,Al合金对磨盘磨损后的表面存在沟槽,但大 明显提高材料的硬度(如上述硬度结果所示),使磨损 部分沟槽不连续平行:当往Ni,A!基体中添加体积分 过程中形成的次表面层变薄,断裂片尺寸变小,形成的 数6%的C3C2颗粒时,其对应对磨盘磨损表面的沟槽 磨粒变小:另外,在摩擦磨损过程中,Cr,C2强化相起到 变多变深,且表面出现深坑:然而,随基体中CC2含 承受力的作用,N,A!相起到了吸收能量和协调变形的 量进一步增多,对磨盘表面坑反而减少,且沟槽变浅: 作用,磨粒在切削过程中会与CC2强化相发生撞击, 当Cr,C2添加的体积分数为24%时,对磨盘表面的沟 使切削中断,切削能力减弱.以上多方面的综合作用, 槽已不明显.分析认为,CrC2/Ni3Al复合材料因添加 a 50 um 50m 504m 50 um 50 um 2 图9对磨盘磨损表面形貌.(a)Ni3A1合金:(b)6%Cr3C2:(c)12%CC2:(d)18%CC2:(e24%CrC2 Fig.9 Morphologies of wom surfaces for the counterpart disks:(a)Ni:Al-alloy:(b)6%CrC2:(c)12%Cra C2:(d)18%CraC2:(e)24% CraC2

傅丽华等: Cr3C2 含量对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料摩擦磨损性能的影响 基体进行切削,从而造成基体材料的流失[11,18]. 基于 上述 Ni3Al 合金的磨损机制,本试验向 Ni3Al 基体中添 加 Cr3C2 颗粒后,从以下几方面对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材 料的磨损性能产生影响: 首先,Cr3C2 颗粒添加到基体 后,在摩擦磨损过程中,它可以作为硬质支撑点,把摩 图 9 对磨盘磨损表面形貌. ( a) Ni3Al 合金; ( b) 6% Cr3C2 ; ( c) 12% Cr3C2 ; ( d) 18% Cr3C2 ; ( e) 24% Cr3C2 Fig. 9 Morphologies of worn surfaces for the counterpart disks: ( a) Ni3Al-alloy; ( b) 6% Cr3C2 ; ( c) 12% Cr3C2 ; ( d) 18% Cr3C2 ; ( e) 24% Cr3C2 擦表面彼此分离,减少了摩擦副之间的直接接触; 其 次,Cr3C2 颗粒的硬度高,将其添加到 Ni3Al 合金中可 明显提高材料的硬度( 如上述硬度结果所示) ,使磨损 过程中形成的次表面层变薄,断裂片尺寸变小,形成的 磨粒变小; 另外,在摩擦磨损过程中,Cr3C2 强化相起到 承受力的作用,Ni3Al 相起到了吸收能量和协调变形的 作用,磨粒在切削过程中会与 Cr3C2 强化相发生撞击, 使切削中断,切削能力减弱. 以上多方面的综合作用, 使 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的耐磨性得到很大提高. 在 本试验研究范围内,Cr3C2 含量越大,Cr3C2 /Ni3Al 复合 材料承受力的骨架越多,其磨损后的表面越不严重,耐 磨性能越好,这与 Gong 等[18--20]的研究数据相一致. 图 9 为 Ni3Al 合金 和 不 同 Cr3C2 含量 的 Cr3C2 / Ni3Al 复合材料的对磨盘磨损后的表面形貌. 图 9( a) 表明,Ni3Al 合金对磨盘磨损后的表面存在沟槽,但大 部分沟槽不连续平行; 当往 Ni3Al 基体中添加体积分 数 6% 的 Cr3C2 颗粒时,其对应对磨盘磨损表面的沟槽 变多变深,且表面出现深坑; 然而,随基体中 Cr3C2 含 量进一步增多,对磨盘表面坑反而减少,且沟槽变浅; 当 Cr3C2 添加的体积分数为 24% 时,对磨盘表面的沟 槽已不明显. 分析认为,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料因添加 · 1511 ·

·1152 工程科学学报,第38卷,第8期 C,C2颗粒后,其表面存在一些不平整的棱角,其硬度 gress of NiAl based alloys as high temperature structural materials. 远大于对磨盘的硬度.复合材料与对磨盘在对磨过程 Rare Met,2011,30(1):422 [8]Zhai W Z,Shi X L,Yao J,et al.Investigation of mechanical and 中,这些凸起的棱角会与对磨材料接触,并在载荷的作 tribological behaviors of multilayer graphene reinforced Nis Al ma- 用下嵌入到对磨材料中.嵌入的棱角在相对运动中对 trix composites.Compos Part B,2015,70:149 对磨材料进行切削、刮擦,使得对磨材料表面形成沟 Li S P,Luo H L,Feng D,et al.Influence of carbides characters 槽.当Cr,C2添加的体积分数为6%时,Cr,C2Ni3Al复 on microstructure and properties of Ni;Al base surface:strengthe- 合材料中凸起的棱角少,嵌入点数目少,单个嵌入点所 ning composite.J Mater Eng,2004(11):53 受的压强大,使得嵌入深度大,对磨盘材料表面易形成 (李尚平,骆合力,冯涤,等.碳化物特性对N,A!基表面强 化复合材料组织与性能的影响.材料工程,2004(11):53) 深沟槽,甚至产生深坑:当Cr,C2添加量进一步增多 [10]An T B,Gong K,Luo H L,et al.Analysis on microstructure 时,其嵌入点数目增多,单个嵌入点所受压强减小,嵌 and friction wear performance of chromium carbide/Ni,Al com- 入的深度反而减小,对对磨材料的切削、刮擦作用减 posite surfacing layer.Trans Chin Weld Inst,2012,33(2):101 弱,因此其表面沟槽逐渐变浅,甚至不明显.这些磨损 (安同邦,Gong Karin..,骆合力,等.碳化铬Ni3Al复合堆焊 后表面形貌结果图与上述盘的磨损量结果相一致 层组织及摩擦磨损分析.焊接学报,2012,33(2):101) [11]Gong K,Luo H L,Feng D,et al.Wear of Nig Al-based materi- 3结论 als and its chromium-carbide reinforced composites.Wear, 2008,265(11-12):1751 (1)热等静压技术制备的Cr,C,/Ni,Al复合材料 [12]An T B.Luo H L.Peng Y,et al.Characteristic analysis on 的微观组织均匀且致密.Cr,C,/Ni,A1复合材料中,强 CrC2/Nia Al hardfacing alloy layer.Ordnance Mater Sci Eng, 化相均匀分布于N,A1基体中,强化相在基体中所占 2010,33(2):48 比例随C,C,添加量的增大而上升.在热等静压条件 (安同邦,骆合力,彭云,等.Cr3C2iAl表面堆焊合金层 下,Cr,C2颗粒与Ni,A1颗粒之间发生了互扩散作用, 的特征分析.兵器材料科学与工程,2010,33(2):48) 3] 使部分CrC,颗粒转变为M,C,(M=Cr,Fe,Ni)结构. Ling S P,Luo HL,Feng D,et al.The stability of Cra C2 /Nig Al composite at elevated temperature.Acta Metall Sin,2007,43 (2)Cr,C2/Ni3Al复合材料中,CrC2强化相起到 (4):439 隔离摩擦副、阻断磨料切削的作用,从而减少对复合材 (李尚平,骆合力,冯涤,等.Cr3C2NiA复合材料的高温 料的磨损.因此随着CrC,含量的增大,CrC,/NiAl 稳定性.金属学报,2007,43(4):439) 复合材料的耐磨性能得到明显地提高 041 Ding Y J,Lei Q,Luo H L.et al.Room-temperature fretting (3)Ni,Al基体中Cr,C2比例较小时,Cr,C2/Ni3Al wear behavior of chromium carbide/NiAl composite.ron Steel Res1nt,2011,23(8):44 复合材料中C,C,强化相对对磨盘的切削、刮擦严重, (丁永军,雷强,骆合力,等.碳化铬NiA1复合材料的室 对磨盘损失严重:随着Ni,Al基体中Cr,C2比例的增 温微动磨损性能.钢铁研究学报,2011,23(8):44) 大,Cr,C,Ni,Al复合材料对对磨盘的磨损程度降低, 05] Li S P,Luo H L,CAO X,et al.Microstructure and room-em- 对磨盘的磨损量减少 perature wear-resistance of Cr,C2/Ni;Al composites.Rare Met Mater Eng,2008,37(1):115 参考文献 (李尚平,骆合力,曹栩,等.C3C2NiA复合材料的微观组织 1]Gong K.Luo H L.Zhou Z F,et al.Wear evaluation on NigAl/ 和室温耐磨性.稀有金属材料与工程,2008,37(1):115) MnS composite related to metallurgical processes.J Iron Steel Res [16]Vlasyuk R Z,Gripachevskii A N,Radomysel 'skii I D,et al. mt,2012,19(7):46 Changes in the chemical and phase compositions of a CrC2 parti- 2]Gong K,Luo H L,Feng D,et al.Nig Al-based intermetallic al- cle in contact with an iron matrix during sintering.Powder Metall loys as a new type of high-emperature and wear-resistant materi- Met Ceram,1984,23(8):597 als.J Iron Steel Res Int,2007,14(5):21 [17]Yuan Y L,Li Z G.Analysis of nucleation of carbide (Cr,Fe) B]Jozwik P,Polkowski W,Bojar Z.Applications of Ni Al based in- C:in the Cr C2/Fe-CrNiBSi composite coating.Suf Coat termetallic alloys-current stage and potential perceptivities.Materi- Technol,.2013,228:41 ah,2015,8(5):2537 [8] Gong K,Lin Z,Tian Z L,et al.Investigation on subsurface lay- 4]Zhu S Y,Bi Q L,Yang J,et al.Ni,Al matrix high temperature er of NisAl-alloy and its composites induced by friction/Pro self-ubricating composites.Tribol Int,2011,44(4):445. ceedings of International Conference on Innovatire Technologies. [5]Wu L,Yao J,Dong H X,et al.The corrosion behavior of porous Rijeka,2012 Nis Al intermetallic materials in strong alkali solution.Intermetal- 19]Gong K,Zhou Z F,Shum P W,et al.Tribological evaluation on lics,2011,19(11):1759 Nig Al-based alloy and its composites under unlubricated wear Li S P,Feng D.Luo H L Microstructure and abrasive wear per- condition.Wear,2011,270(3 -4)195 formance of chromium carbide reinforced NigAl matrix composite 120]Luo H L,Gong K,Li S P,et al.Abrasive wear comparison of coating.Surf Coat Technol,2007,201 (8):4542 CraC/NiAl composite and stellite 12 alloy cladding.ron Wang J X,Qian J H,Zhang X J,et al.Research status and pro- Steel Res Int,2007,14(5):15

工程科学学报,第 38 卷,第 8 期 Cr3C2 颗粒后,其表面存在一些不平整的棱角,其硬度 远大于对磨盘的硬度. 复合材料与对磨盘在对磨过程 中,这些凸起的棱角会与对磨材料接触,并在载荷的作 用下嵌入到对磨材料中. 嵌入的棱角在相对运动中对 对磨材料进行切削、刮擦,使得对磨材料表面形成沟 槽. 当 Cr3C2 添加的体积分数为 6% 时,Cr3C2 /Ni3Al 复 合材料中凸起的棱角少,嵌入点数目少,单个嵌入点所 受的压强大,使得嵌入深度大,对磨盘材料表面易形成 深沟槽,甚至产生深坑; 当 Cr3C2 添加量进一步增多 时,其嵌入点数目增多,单个嵌入点所受压强减小,嵌 入的深度反而减小,对对磨材料的切削、刮擦作用减 弱,因此其表面沟槽逐渐变浅,甚至不明显. 这些磨损 后表面形貌结果图与上述盘的磨损量结果相一致. 3 结论 ( 1) 热等静压技术制备的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料 的微观组织均匀且致密. Cr3C2 /Ni3Al 复合材料中,强 化相均匀分布于 Ni3Al 基体中,强化相在基体中所占 比例随 Cr3C2 添加量的增大而上升. 在热等静压条件 下,Cr3C2 颗粒与 Ni3Al 颗粒之间发生了互扩散作用, 使部分 Cr3C2 颗粒转变为 M7C3 ( M = Cr,Fe,Ni) 结构. ( 2) Cr3C2 /Ni3Al 复合材料中,Cr3C2 强化相起到 隔离摩擦副、阻断磨料切削的作用,从而减少对复合材 料的磨损. 因此随着 Cr3C2 含量的增大,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的耐磨性能得到明显地提高. ( 3) Ni3Al 基体中 Cr3C2 比例较小时,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料中 Cr3C2 强化相对对磨盘的切削、刮擦严重, 对磨盘损失严重; 随着 Ni3Al 基体中 Cr3C2 比例的增 大,Cr3C2 /Ni3Al 复合材料对对磨盘的磨损程度降低, 对磨盘的磨损量减少. 参 考 文 献 [1] Gong K,Luo H L,Zhou Z F,et al. Wear evaluation on Ni3Al / MnS composite related to metallurgical processes. J Iron Steel Res Int,2012,19 ( 7) : 46 [2] Gong K,Luo H L,Feng D,et al. Ni3Al-based intermetallic al￾loys as a new type of high-temperature and wear-resistant materi￾als. J Iron Steel Res Int,2007,14( 5) : 21 [3] Jozwik P,Polkowski W,Bojar Z. Applications of Ni3Al based in￾termetallic alloys-current stage and potential perceptivities. Materi￾als,2015,8( 5) : 2537 [4] Zhu S Y,Bi Q L,Yang J,et al. Ni3Al matrix high temperature self-lubricating composites. Tribol Int,2011,44( 4) : 445. [5] Wu L,Yao J,Dong H X,et al. The corrosion behavior of porous Ni3Al intermetallic materials in strong alkali solution. Intermetal￾lics,2011,19( 11) : 1759 [6] Li S P,Feng D,Luo H L. Microstructure and abrasive wear per￾formance of chromium carbide reinforced Ni3Al matrix composite coating. Surf Coat Technol,2007,201 ( 8) : 4542 [7] Wang J X,Qian J H,Zhang X J,et al. Research status and pro￾gress of NiAl based alloys as high temperature structural materials. Rare Met,2011,30( 1) : 422 [8] Zhai W Z,Shi X L,Yao J,et al. Investigation of mechanical and tribological behaviors of multilayer graphene reinforced Ni3Al ma￾trix composites. Compos Part B,2015,70: 149 [9] Li S P,Luo H L,Feng D,et al. Influence of carbides characters on microstructure and properties of Ni3A1 base surface: strengthe￾ning composite. J Mater Eng,2004( 11) : 53 ( 李尚平,骆合力,冯涤,等. 碳化物特性对 Ni3Al 基表面强 化复合材料组织与性能的影响. 材料工程,2004( 11) : 53) [10] An T B,Gong K,Luo H L,et al. Analysis on microstructure and friction wear performance of chromium carbide /Ni3Al com￾posite surfacing layer. Trans Chin Weld Inst,2012,33( 2) : 101 ( 安同邦,Gong Karin. ,骆合力,等. 碳化铬/Ni3Al 复合堆焊 层组织及摩擦磨损分析. 焊接学报,2012,33( 2) : 101) [11] Gong K,Luo H L,Feng D,et al. Wear of Ni3Al-based materi￾als and its chromium-carbide reinforced composites. Wear, 2008,265( 11 - 12) : 1751 [12] An T B,Luo H L,Peng Y,et al. Characteristic analysis on Cr3C2 /Ni3Al hardfacing alloy layer. Ordnance Mater Sci Eng, 2010,33( 2) : 48 ( 安同邦,骆合力,彭云,等. Cr3C2 /Ni3Al 表面堆焊合金层 的特征分析. 兵器材料科学与工程,2010,33( 2) : 48) [13] Ling S P,Luo H L,Feng D,et al. The stability of Cr3C2 /Ni3Al composite at elevated temperature. Acta Metall Sin,2007,43 ( 4) : 439 ( 李尚平,骆合力,冯涤,等. Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的高温 稳定性. 金属学报,2007,43( 4) : 439) [14] Ding Y J,Lei Q,Luo H L,et al. Room-temperature fretting wear behavior of chromium carbide /Ni3Al composite. J Iron Steel Res Int,2011,23( 8) : 44 ( 丁永军,雷强,骆合力,等. 碳化铬/Ni3Al 复合材料的室 温微动磨损性能. 钢铁研究学报,2011,23( 8) : 44) [15] Li S P,Luo H L,CAO X,et al. Microstructure and room-tem￾perature wear-resistance of Cr3C2 /Ni3Al composites. Rare Met Mater Eng,2008,37( 1) : 115 ( 李尚平,骆合力,曹栩,等. Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的微观组织 和室温耐磨性. 稀有金属材料与工程,2008,37( 1) : 115) [16] Vlasyuk R Z,Gripachevskii A N,Radomysel'skii I D,et al. Changes in the chemical and phase compositions of a Cr3C2 parti￾cle in contact with an iron matrix during sintering. Powder Metall Met Ceram,1984,23( 8) : 597 [17] Yuan Y L,Li Z G. Analysis of nucleation of carbide ( Cr,Fe) 7 C3 in the Cr3C2 /Fe--CrNiBSi composite coating. Surf Coat Technol,2013,228: 41 [18] Gong K,Lin Z,Tian Z L,et al. Investigation on subsurface lay￾er of Ni3Al-alloy and its composites induced by friction / / Pro￾ceedings of International Conference on Innovative Technologies. Rijeka,2012 [19] Gong K,Zhou Z F,Shum P W,et al. Tribological evaluation on Ni3Al-based alloy and its composites under unlubricated wear condition. Wear,2011,270( 3 - 4) : 195 [20] Luo H L,Gong K,Li S P ,et al. Abrasive wear comparison of Cr3C2 /Ni3Al composite and stellite 12 alloy cladding. J Iron Steel Res Int,2007,14( 5) : 15 · 2511 ·

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