.970. 工程科学学报，第40卷，第8期 在国内外，单一材质的抗磨材料一直存在着磨 为了提高陶瓷颗粒与金属基体的结合强度，人 损速度快和材料消耗大的问题，严重制约了相关行 们采用基体金属合金化⑧-]、陶瓷表面涂覆处 业的快速发展.因此，高寿命抗磨材料的研制和开 理[0-]等“润湿化处理技术”来改善陶瓷与金属之 发具有非常重要的经济和社会效益.陶瓷颗粒增强 间的润湿性，取得了预期的效果2】.但是这些“润 钢铁基复合材料能够充分发挥陶瓷增强相和金属基 湿化处理技术”会使复合材料的制备成本有不同程 体的优良特性，并且在材料的成分、组织和性能上具 度的提高，同样限制了陶瓷颗粒增强金属基复合材 有很大的可设计性，较金属抗磨材料具有更为优异 料的大众化应用. 的综合性能山，正在逐步替代传统的单一材质抗磨 邢书明等)在液态模锻的基础上提出了一种 材料，是未来高性能结构材料的发展方向之一[]. 不需要事先制备预制体、也不需要进行润湿化预处 然而，由于很多陶瓷与金属之间密度差异显著、润湿 理的陶瓷/金属复合材料的制备与成型一体化技 性很差甚至不润湿，使得它们之间难以均匀稳定的 术一“随流混合+高压复合”来制备常温常压下 混合，界面结合强度低成为限制此类材料制备与推 不润湿的陶瓷颗粒增强金属基复合材料，这一方法 广应用的共性关键问题3) 是在金属液的充型过程中实现陶瓷与金属的均匀混 为了解决颗粒增强相难以加入与均匀混合的问 合，在外加压力下凝固成型实现陶瓷与金属的牢固 题，人们普遍采用将陶瓷颗粒事先制成预制体的方 结合，可以大幅度降低制备成本，为复合材料的工业 法，并取得了明显的效果.广州有色金属研究院的 化应用、规模化生产提供了一条新途径.该技术实 郑开宏等)采用制备蜂窝状陶瓷预制体结合重力 现陶瓷在金属中均匀分布的技术途径是利用熔融金 铸造的方法成功制备出ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸 属液的黏性实现其对陶瓷颗粒的挟裹作用，达到颗 铁抗磨复合材料，在三体磨料磨损情况下，表现出优 粒的均匀分散，同时液态模锻快速冷却的特点也可 异的抗磨性.西安交通大学的李烨飞等)采用负压 以阻止陶瓷颗粒的上浮聚集：而实现陶瓷颗粒与金 浸渗法成功制备出WC-TiC-Co陶瓷颗粒增强高铬 属基体紧密结合的技术途径是通过高压挤压使金属 铸铁复合材料，在两体磨料磨损情况下，其抗磨性与 液挤入颗粒的微小间隙并补缩，进而实现界面的压 热处理态高铬铸铁相比显著提高.虽然国内对于陶 焊，同时对陶瓷颗粒进行预热处理，以提高其与金属 瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备与应用研究很 液的界面相容性.国内外已有大量研究证明压力的 多，但大都停留在实验研究层面，许多制备工艺因工 提高可以改善陶瓷与金属之间的界面结合状态，使 艺复杂、生产效率低以及制备成本高等原因，难以实 不经过“润湿化处理”直接制备的陶瓷/金属复合材 现工业化应用，致使国内许多企业只能从国外进口 料具有强结合界面14-16].本文运用这一新技术进 效果优良的复合材料产品.比利时MAGOTTEAUX 行了ZTA/KmTBCr.26抗磨复合材料的制备，并对所 公司6开发出了X-win陶瓷复合材料技术，将高铬 得抗磨件的组织和性能进行了研究. 铸铁合金液浇注到用陶瓷颗粒预制的蜂巢状芯板 1实验 中，以获得抗磨性优良的复合材料.采用这种技术 制备的复合磨辊的使用寿命高出镍硬铸铁和高铬铸 1.1实验原料 铁磨辊的1倍以上，处于国际领先水平，基本垄断了 增强颗粒选择郑州市海旭磨料有限公司生产的 我国国内市场.印度VEGA公司)推出的Sintercast 电熔ZTA(Z02增韧A山，03)陶瓷，粒径为8~10 陶瓷-金属复合技术是将陶瓷预制体以特定方式排 目，颜色呈暗灰色，形状为多角形，外观形貌如图1 列在工作面上，再与高铬铸铁组成镶嵌块，将镶嵌块 所示.其化学成分为（质量分数）：AL,0360%,Z02 通过铸造方式包裹于金属基体中形成复合件.采用 40%,物理、力学性能如表1所示.金属基体选择微 该技术生产的耐磨复合辊套和衬板已在ATOX立磨 合金化高铬铸铁KmTBCr226,其成分如表2所示. 上成功应用，使用寿命可达到普通产品的两倍以上， 1.2ZTA/KmTBCr226复合抗磨件的制备 也占据了大量的我国国内市场.然而，国内外的这 采用“随流混合+高压复合”技术制备ZTAV 种事先制备预制体的复合成形技术都在不同程度上 KmTBCr226复合抗磨件的工作原理如图2所示.制 存在预制体的载体降低材料纯度、制备厚大工件时 备过程如下：①高铬铸铁KmTBCr226通过中频感应 颗粒漂浮和溃散问题突出、生产效率较低的问题，使 炉进行熔炼，铁液的浇注温度为1600℃：陶瓷颗粒 其在服役过程中陶瓷颗粒的碎化和脱落现象严重， 则放入电阻炉中预热至1100℃保温：模具的预热使 推广应用受到了限制. 用由电热管自制的预热器预热至220~260℃.工程科学学报,第 40 卷,第 8 期 在国内外,单一材质的抗磨材料一直存在着磨 损速度快和材料消耗大的问题,严重制约了相关行 业的快速发展. 因此,高寿命抗磨材料的研制和开 发具有非常重要的经济和社会效益. 陶瓷颗粒增强 钢铁基复合材料能够充分发挥陶瓷增强相和金属基 体的优良特性,并且在材料的成分、组织和性能上具 有很大的可设计性,较金属抗磨材料具有更为优异 的综合性能[1] ,正在逐步替代传统的单一材质抗磨 材料,是未来高性能结构材料的发展方向之一[2] . 然而,由于很多陶瓷与金属之间密度差异显著、润湿 性很差甚至不润湿,使得它们之间难以均匀稳定的 混合,界面结合强度低成为限制此类材料制备与推 广应用的共性关键问题[3] . 为了解决颗粒增强相难以加入与均匀混合的问 题,人们普遍采用将陶瓷颗粒事先制成预制体的方 法,并取得了明显的效果. 广州有色金属研究院的 郑开宏等[4] 采用制备蜂窝状陶瓷预制体结合重力 铸造的方法成功制备出 ZTA 陶瓷颗粒增强高铬铸 铁抗磨复合材料,在三体磨料磨损情况下,表现出优 异的抗磨性. 西安交通大学的李烨飞等[5]采用负压 浸渗法成功制备出 WC鄄鄄TiC鄄鄄Co 陶瓷颗粒增强高铬 铸铁复合材料,在两体磨料磨损情况下,其抗磨性与 热处理态高铬铸铁相比显著提高. 虽然国内对于陶 瓷颗粒增强钢铁基复合材料的制备与应用研究很 多,但大都停留在实验研究层面,许多制备工艺因工 艺复杂、生产效率低以及制备成本高等原因,难以实 现工业化应用,致使国内许多企业只能从国外进口 效果优良的复合材料产品. 比利时 MAGOTTEAUX 公司[6]开发出了 X鄄鄄win 陶瓷复合材料技术,将高铬 铸铁合金液浇注到用陶瓷颗粒预制的蜂巢状芯板 中,以获得抗磨性优良的复合材料. 采用这种技术 制备的复合磨辊的使用寿命高出镍硬铸铁和高铬铸 铁磨辊的 1 倍以上,处于国际领先水平,基本垄断了 我国国内市场. 印度 VEGA 公司[7]推出的 Sintercast 陶瓷鄄鄄金属复合技术是将陶瓷预制体以特定方式排 列在工作面上,再与高铬铸铁组成镶嵌块,将镶嵌块 通过铸造方式包裹于金属基体中形成复合件. 采用 该技术生产的耐磨复合辊套和衬板已在 ATOX 立磨 上成功应用,使用寿命可达到普通产品的两倍以上, 也占据了大量的我国国内市场. 然而,国内外的这 种事先制备预制体的复合成形技术都在不同程度上 存在预制体的载体降低材料纯度、制备厚大工件时 颗粒漂浮和溃散问题突出、生产效率较低的问题,使 其在服役过程中陶瓷颗粒的碎化和脱落现象严重, 推广应用受到了限制. 为了提高陶瓷颗粒与金属基体的结合强度,人 们采用 基 体 金 属 合 金 化[8鄄鄄9] 、 陶 瓷 表 面 涂 覆 处 理[10鄄鄄11]等“润湿化处理技术冶来改善陶瓷与金属之 间的润湿性,取得了预期的效果[12] . 但是这些“润 湿化处理技术冶会使复合材料的制备成本有不同程 度的提高,同样限制了陶瓷颗粒增强金属基复合材 料的大众化应用. 邢书明等[13] 在液态模锻的基础上提出了一种 不需要事先制备预制体、也不需要进行润湿化预处 理的陶瓷/ 金属复合材料的制备与成型一体化技 术———“随流混合 + 高压复合冶 来制备常温常压下 不润湿的陶瓷颗粒增强金属基复合材料,这一方法 是在金属液的充型过程中实现陶瓷与金属的均匀混 合,在外加压力下凝固成型实现陶瓷与金属的牢固 结合,可以大幅度降低制备成本,为复合材料的工业 化应用、规模化生产提供了一条新途径. 该技术实 现陶瓷在金属中均匀分布的技术途径是利用熔融金 属液的黏性实现其对陶瓷颗粒的挟裹作用,达到颗 粒的均匀分散,同时液态模锻快速冷却的特点也可 以阻止陶瓷颗粒的上浮聚集;而实现陶瓷颗粒与金 属基体紧密结合的技术途径是通过高压挤压使金属 液挤入颗粒的微小间隙并补缩,进而实现界面的压 焊,同时对陶瓷颗粒进行预热处理,以提高其与金属 液的界面相容性. 国内外已有大量研究证明压力的 提高可以改善陶瓷与金属之间的界面结合状态,使 不经过“润湿化处理冶直接制备的陶瓷/ 金属复合材 料具有强结合界面[14鄄鄄16] . 本文运用这一新技术进 行了 ZTA/ KmTBCr26 抗磨复合材料的制备,并对所 得抗磨件的组织和性能进行了研究. 1 实验 1郾 1 实验原料 增强颗粒选择郑州市海旭磨料有限公司生产的 电熔 ZTA ( ZrO2 增韧 Al 2 O3 ) 陶瓷,粒径为 8 ~ 10 目,颜色呈暗灰色,形状为多角形,外观形貌如图 1 所示. 其化学成分为(质量分数):Al 2O3 60% ,ZrO2 40% ,物理、力学性能如表 1 所示. 金属基体选择微 合金化高铬铸铁 KmTBCr26,其成分如表 2 所示. 1郾 2 ZTA / KmTBCr26 复合抗磨件的制备 采用“随流混合 + 高压复合冶 技术制备 ZTA/ KmTBCr26 复合抗磨件的工作原理如图 2 所示. 制 备过程如下:淤高铬铸铁 KmTBCr26 通过中频感应 炉进行熔炼,铁液的浇注温度为 1600 益 ;陶瓷颗粒 则放入电阻炉中预热至 1100 益保温;模具的预热使 用由电热管自制的预热器预热至 220 ~ 260 益 . ·970·