不同類型顆?；旌显鰪婅F基復合材料的磨損性能

曹新建，金劍鋒，曹敬袆，宗亞平

(東北大學 材料科學與工程學院 各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 110819)

不同類型顆?；旌显鰪婅F基復合材料的磨損性能

曹新建，金劍鋒，曹敬袆，宗亞平

(東北大學 材料科學與工程學院 各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽 110819)

采用電流直加熱動態熱壓燒結工藝制備陶瓷顆粒增強鐵基復合材料，研究高體積分數(25%，30%，35%)下，單一類型顆粒(SiC，TiC，TiN)及混合類型顆粒(TiC+TiN, SiC+TiN, SiC+TiC)作為增強相對鐵基復合材料磨損性能的影響。結果表明：單一類型粒子強化時，TiNP/Fe復合材料的耐磨性最好，TiCP/Fe次之，SiCp/Fe最差?；旌狭Ｗ幼鳛樵鰪婓w時，(TiC+TiN)P/Fe復合材料磨損性能顯著優于其對應的單一顆粒增強材料；其中粒子含量為30%時，(TiC+TiN)P/Fe復合材料磨損性能提高最大，其磨損量比TiCP/Fe降低了51.9%，比TiNp/Fe復合材料降低了44.1%，體現出可貴的混合增強價值。(SiC+TiC)P/Fe和(SiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損性能分別處于對應的兩個單一顆粒增強材料之間。磨損表面觀察表明，耐磨性好的(TiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損機理為磨粒磨損，而(SiC+TiC)P/Fe和(SiC+TiN)P/Fe復合材料除磨粒磨損外還存在明顯的疲勞磨損現象。

陶瓷顆粒；鐵基復合材料；混合顆粒強化；磨損性能

陶瓷顆粒增強鐵基復合材料以其高強度、高彈性模量、高耐磨性及耐高溫等優點，在機械、采礦、耐磨材料等領域表現出巨大的應用前景，引起了研究者的廣泛關注[1-5]。SiC，TiC，TiN陶瓷顆粒以其高硬度、高耐磨性和高化學穩定性等優點，通常被作為顆粒增強金屬基復合材料的增強體[6-8]?，F有文獻報道多側重于研究單一顆粒增強金屬基復合材料的磨損性能，但由于制備工藝、陶瓷顆粒粒度、體積分數等差異，使這些研究結果沒有直接的可比性[ 9-13]。本研究采用電流直加熱動態熱壓燒結工藝制備顆粒增強鐵基復合材料，作為大電流加熱粉末預制坯的固態燒結工藝，具有制備快，致密度好，性能高等特點，其力學性能達到已有文獻報道的先進水平[14]。之前的研究側重于較低體積分數的陶瓷顆粒對鐵基復合材料磨損性能的研究[15]，而對高含量的陶瓷顆粒研究相對較少。顆粒增強鐵基復合材料作為耐磨材料往往需要高含量的陶瓷顆粒，這樣才更具有實際應用價值。通過引入不同類型顆粒作為增強相的混合強化研究逐漸引起研究者越來越多的關注[16, 17]，混合顆粒增強的復合材料往往呈現出比單一顆粒強化更好的性能。例如：用原位合成法制備(TiB2+Al2O3)/Al-Cu復合材料，其力學性能優于單一顆粒類型增強復合材料[18]。然而不同類型陶瓷顆?；旌显鰪婅F基復合材料的磨損性能鮮有報道。

本研究采用表面鍍銅的陶瓷顆粒作為增強體，通過電流直加熱動態熱壓燒結工藝分別制備單一類型顆粒強化的SiCP/Fe，TiCP/Fe和TiNP/Fe復合材料和混合類型顆粒強化的(SiC+TiC)P/Fe，(SiC+TiN)P/Fe和(TiC+TiN)P/Fe復合材料，探究其磨損性能的變化規律，為顆粒增強鐵基復合材料的推廣應用提供必要的實驗和理論支撐。

1 實驗材料與方法

增強顆粒采用秦皇島一諾高新材料有限開發公司提供的α-SiC，TiC及TiN顆粒，純度都大于99.0%，顆粒標稱粒度均為10μm?；w材料采用工業還原鐵粉，粒度為51μm，其純度99.2%。另外加入質量分數為1.0%硬脂酸鋅作為坯體成型劑。

首先采用化學鍍的方法在陶瓷顆粒表面鍍上一層薄銅，鍍銅可顯著地降低界面缺陷提高復合材料的性能，其工藝細節及評述詳見文獻[19]。將表面鍍銅的陶瓷顆粒與還原鐵粉按含量要求稱重配比，粒子體積分數分別為25%，30%和35%，然后各自放在行星式球磨機中進行混料；球磨轉速225r/min，混料時間2h，球料比3∶1，之后使用液壓機將混合后的粉末在240MPa壓力下壓制成尺寸60mm×30mm×10mm的長方體壓坯。采用電流直加熱動態熱壓燒結工藝[14]制備單一類型顆粒強化的SiCP/Fe,TiCP/Fe和TiNP/Fe和混合類型顆粒強化的(SiC+TiC)P/Fe，(SiC+TiN)P/Fe和(TiC+TiN)P/Fe復合材料，其中混合顆粒中兩陶瓷相的體積分數比為1∶1。

研究了單一和混合類型顆粒對鐵基復合材料硬度和磨損性能的影響。具體的實驗方法如下：采用450SVDTM型數顯維氏硬度計測量試樣的維氏硬度值，在試樣表面取等間距的5個點進行測量，結果為其平均值。摩擦磨損實驗是在銷盤式磨損試驗機上進行，將制備好的試樣加工成尺寸為φ4mm×15mm的銷試樣，摩擦副采用φ43mm的300M高強度鋼制成，實驗條件：常溫條件下，轉速為300r/min，共1500轉，載荷分別采用100N和200N；銷試樣由精度為0.01mg的電子天平稱重，計算出經過1500轉實驗后試樣的磨損質量損失，即為該樣品的磨損量。采用JSM-6510A掃描電子顯微鏡觀察燒結后復合材料的顯微組織及磨損形貌。

2 實驗結果與討論

2.1 顯微組織及硬度

圖1為顆粒體積分數為25%時，單一類型及混合類型顆粒增強鐵基復合材料的顯微組織形貌。圖1(c)，(e)，(f)可明顯看出SiC，SiC+TiN和SiC+TiC顆粒增強鐵基復合材料中，部分顆粒與基體結合處有微裂紋出現，可能源于高體積分數下SiC顆粒與鐵基體在燒結過程中產生了較為嚴重的界面反應，導致界面微空洞缺陷的產生。而由圖1(a)，(b)，(d)可知，TiN，TiC，TiC+TiN顆粒增強鐵基復合材料，增強顆粒清晰可見，與鐵基體的界面結合良好，界面缺陷相對較少。

圖1 在顆粒體積分數為25%時，單一類型及混合類型增強鐵基復合材料的顯微組織對比(a)TiN；(b)TiC；(c)SiC；(d)TiC+TiN；(e)SiC+TiC；(f)SiC+TiNFig.1 Microstructures of iron matrix composites reinforced by monolithic and mixed-type particles with the volume fraction of particles of 25% (a)TiN;(b)TiC;(c)SiC;(d)TiC+TiN;(e)SiC+TiC and (f) SiC+TiN

圖2 不同顆粒體積分數下單一類型(a)及混合類型顆粒(b)顆粒增強鐵基復合材料硬度的比較Fig.2 Comparison of the hardness of the composites reinforced by monolithic (a) and mixed-type (b) particles with different volume fraction of particles

圖2給出了單一類型和混合類型顆粒增強鐵基復合材料硬度隨顆粒體積分數變化的趨勢圖。由圖2(a)可知，TiNP/Fe復合材料的硬度略高于TiCP/Fe，而兩者明顯高于SiCP/Fe；隨顆粒體積分數的逐漸增加，TiCP/Fe和TiNP/Fe的硬度降低緩慢，而SiC/Fe的硬度卻急劇下降。由圖2(b)可知(TiC+TiN)P/Fe復合材料的硬度總是高于(SiC+TiN)P/Fe和(SiC+TiC)P/Fe，隨顆粒體積分數的逐漸增加，混合增強的復合材料硬度均逐漸下降，其中(TiC+TiN)P/Fe的硬度降低最為緩慢。隨著陶瓷顆粒體積分數的增加，復合材料的硬度逐漸降低，這可能是因為采用電流直加熱動態熱壓燒結工藝制備復合材料時，顆粒含量越多，試樣的導電性越差，燒結越困難，在復合材料局部出現了燒結不充分的現象，降低了復合材料的硬度。

2.2 磨損性能

圖3給出了不同顆粒體積分數下，單一和混合類型顆粒增強鐵基復合材料各自磨損量的比較，其中磨損實驗載荷均為100N。從圖3(a)可以看出，單一類型粒子強化時，TiNP/Fe復合材料的耐磨性最好, TiCP/Fe其次，SiCP/Fe最差。而TiNP/Fe和TiCP/Fe復合材料的耐磨性隨體積分數增加變化不明顯，SiCP/Fe的耐磨性隨體積分數的增加急劇下降。由圖3(b)可以看出，(TiC+TiN)P/Fe復合材料的耐磨性最好, (SiC+TiN)P/Fe其次，(SiC+TiC)P/Fe最差。而(SiC+TiC)P/Fe和(SiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損量隨體積分數增加顯著增加，而(TiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損量隨含量變化并不明顯。對比圖2和圖3可知，單一類型顆粒增強鐵基復合材料的耐磨性與硬度呈現良好的對應關系，即硬度越大耐磨性越好。

圖3 不同顆粒體積分數下單一類型(a)和混合類型(b)顆粒增強鐵基復合材料磨損量的比較Fig.3 Comparison of the wear loss of the composites reinforced by monolithic (a) and mixed-type (b) particles with different volume fraction of particles

圖4為混合類型與其相對應單一類型顆粒增強鐵基復合材料磨損性能的比較。從圖4中可以看出當SiC與TiN混合時，(SiC+TiN)P/Fe復合材料的耐磨性處于對應的兩個單一顆粒增強材料之間，滿足混合定律，并沒有表現出混合強化的現象。(SiC+TiC)P/Fe復合材料也有類似的特征。而(TiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損性能優于其單一顆粒增強復合材料，表現出混合強化的現象。其中粒子含量為30%時，混合增強的磨損性能提高最大，磨損量比TiCP/Fe降低了51.9%，比TiNP/Fe減少了44.1%，體積分數為25%時，混合強化的磨損量比單一顆粒分別減少了46.7%和39.5%，而體積分數為35%時，磨損量比單一顆粒分別減少了16.6%和12.8%。隨粒子含量增加差異程度增加，這種混合弛豫的效果自然會更明顯，因此混合增強作用在含量30%時提高最大。

圖4 不同體積分數的(SiC+TiN) 和 (TiC+TiN) 混合類型顆粒與其對應的兩種單一顆粒增強鐵基復合材料磨損性能的比較 (a)25%；(b)30%；(c)35%Fig.4 Comparison of the wear loss of the (SiC+TiN)P/Fe and (TiC+TiN)P/Fe composites and their corresponding monolithic composites with different volume fraction (a)25%；(b)30%；(c)35%

為了研究載荷對鐵基復合材料磨損性能的影響，本實驗選取體積分數為30%的TiC，TiN，(TiC+TiN)顆粒增強鐵基復合材料作為研究對象。載荷分別為100，200N，實驗結果如圖5所示。

圖5 不同載荷對TiCP/Fe,TiNP/Fe,(TiC+TiN)P/Fe復合材料磨損量(a)及摩擦因數(b)的影響Fig.5 Influence of the load on the wear loss (a) and the friction coefficient (b) of the TiCP/Fe,TiNP/Fe,(TiC+TiN)P/Fe composites

由圖5(a)可知，隨著載荷的增加復合材料的磨損量增大，其中(TiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損量提高了67.7%，TiNP/Fe提高了33.3%，TiCP/Fe提高了28.7%。由此可見(TiC+TiN)P/Fe復合材料對高載荷更敏感，混合顆粒增強鐵基復合材料的混合效果提高需要合適的載荷。載荷增大，混合效果降低。圖5(b)為實驗載荷對鐵基復合材料摩擦因數的影響，隨著載荷的增大，摩擦因數降低。這是因為增加載荷使磨損表面和亞表層所受的正壓力增加，加劇亞表層塑性變形程度，增大磨面上的凹凸峰相互作用，加大了接觸面積，使試樣與摩擦副摩擦熱增加，導致試樣表面粗糙度減小摩擦因數降低。

2.3 磨損機理的討論

為了探究混合類型顆粒對其增強的鐵基復合材料的磨損機理，對復合材料的磨損形貌進行了研究分析。

圖6為載荷100N，體積分數30%的(SiC+TiC)，(SiC+TiN)及(TiC+TiN)顆粒增強鐵基復合材料的磨損形貌。由圖6(a)可見(SiC+TiC)P/Fe復合材料磨損表面有大量的片層剝落現象，說明發生了嚴重的磨損。在載荷作用下，高體積分數下的陶瓷顆粒無法承受全部外加載荷，基體經反復擠壓發生大量的塑性流變及剪切變形，隨著反復的擠壓變形，部分陶瓷顆粒從基體中脫離?；w上脫落的磨屑，少量脫落的顆粒和基體的氧化物經過反復的碾壓形成的機械混合層，以片層剝落的形式從基體中脫落，磨損機理以疲勞磨損為主，與文獻[20]的觀察結果一致。圖6(b)為(SiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損形貌，由圖可知，磨損表面存在明顯犁溝，磨損表面存在少量的凹坑且具有基體反復擠壓產生的塑性變形，說明復合材料除磨粒磨損外還存在明顯的疲勞磨損現象。而由圖6(c)可知，(TiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損表面存在淺而少的犁溝，屬于輕度磨損，原因可能為TiC與TiN混合時，粒子之間匹配良好，內應力減小[21]，使得產生疲勞磨損的概率降低，磨損機理為磨粒磨損。

圖6 體積分數為30%的顆粒增強鐵基復合材料磨損形貌(a)(SiC+TiC)P/Fe;(b)(SiC+TiN)P/Fe;(c)(TiC+TiN)P/FeFig.6 Worn surface morphologies of composite with the volume fraction of particle of 30%(a)(SiC+TiC)P/Fe;(b)(SiC+TiN)P/Fe;(c)(TiC+TiN)P/Fe

3 結論

(1)單一類型粒子強化時，耐磨性與硬度有直接的對應關系。TiNP/Fe復合材料的耐磨性最好, TiCP/Fe其次，SiCP/Fe最差，而TiNP/Fe和TiCP/Fe復合材料的耐磨性隨體積分數增加變化不明顯，SiCP/Fe的耐磨性隨體積分數的增加急劇下降。

(2)混合粒子作為增強體時， (TiC+TiN)混合增強的復合材料磨損性能顯著優于兩個單一顆粒增強的材料，當粒子含量為30%時磨損性能提高最大，磨損量比兩種單一增強分別降低了51.9%和44.1%。

(3)混合粒子作為增強體時，(SiC+TiC)和(SiC+TiN)混合類型顆粒增強鐵基復合材料的耐磨性處于對應的兩個單一顆粒增強材料之間，滿足混合定律，并沒有表現出混合強化的現象。

(4)混合增強復合材料的耐磨性的提高對應于混合強化對復合材料硬度的有效提高，而磨損表面觀察表明，耐磨性好的(TiC+TiN)P/Fe復合材料的磨損機理為磨粒磨損，(SiC+TiC)P/Fe和(SiC+TiN)P/Fe復合材料除磨粒磨損外還存在明顯的疲勞磨損現象。

[1] AKHTAR F, GUO S J. Microstructure, mechanical and fretting wear properties of TiC-stainless steel composites [J]. Materials Characterization, 2008, 59(1): 84-90.

[2] RAMESH C S, SRINIVAS C K, CHANNABASAPPA B H. Abrasive wear behaviour of laser sintered iron-SiC composites [J]. Wear, 2009, 267(11):1777-1783.

[3] TAN H, LUO Z, LI Y, et al. Effect of strengthening particles on the dry sliding wear behavior of Al2O3-M7C3/Fe metal matrix composite coatings produced by laser cladding[J]. Wear, 2015, 324-325(1): 36-44.

[4] PAGOUNIS E, LINDROOS V K. Processing and properties of particulate reinforced steel matrix composites[J]. Materials Science and Engineering: A, 1998, 246(1): 221-234.

[5] SLIPENYUK A, KUPRIN V, MILMAN Y, et al. Properties of P/M processed particle reinforced metal matrix composites specified by reinforcement concentration and matrix-to-reinforcement particle size ratio[J]. Acta Materialia, 2006, 54(1): 157-166.

[6] 劉德寶，崔春翔．TiN顆粒增強銅基復合材料的制備及性能研究[J]. 稀有金屬，2004，28(5)：856-861．

LIU D B, CUI C X. Fabrication and properties of TiN particle reinforced copper matrix composites[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2004, 28(5): 856-861.

[7] FALCON-FRANCO L, BEDOLLA-BECERRIL E, LEMUS-RUIZ J, et al. Wear performance of TiC as reinforcement of a magnesium alloy matrix composite[J]. Composites Part B: Engineering, 2011, 42(2): 275-279.

[8] ?ZYUREK D, KALYON A, YILDIRIM M, et al. Experimental investigation and prediction of wear properties of Al/SiC metal matrix composites produced by thixomoulding method using artificial neural networks[J]. Materials & Design, 2014, 63(1): 270-277.

[9] ZHONG L, YE F, XU Y, et al. Microstructure and abrasive wear characteristics ofinsituvanadium carbide particulate-reinforced iron matrix composites[J]. Materials & Design, 2014, 54(1):564-569.

[10] JIANG X, WANG N, ZHU D. Friction and wear properties ofin-situsynthesized Al2O3reinforced aluminum composites[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(7): 2352-2358.

[11] SAHIN Y, KILICLI V. Abrasive wear behaviour of SiCp/Al alloy composite in comparison with ausferritic ductile iron[J]. Wear, 2011, 271(11-12): 2766-2774.

[12] 李敬勇，劉濤，郭宇文．攪拌摩擦加工鋁基復合材料的高溫摩擦磨損性能[J]. 材料工程， 2015，43(6)：21-25．

LI J Y, LIU T, GUO Y W. High-temperature friction and wear properties of friction stir processed aluminum matrix composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(6): 21-25.

[13] YI D, YU P, HU B, et al. Preparation of nickel-coated titanium carbide particulates and their use in the production of reinforced iron matrix composites[J]. Materials & Design,2013,52: 572-579.

[14] LI J, ZONG B Y, WANG Y, et al. Experiment and modeling of mechanical properties on iron matrix composites reinforced by different types of ceramic particles[J]. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527(29-30): 7545-7551.

[15] 李杰，宗亞平，王耀勉，等．不同顆粒增強鐵基復合材料磨損性能的對比[J]．東北大學學報，2010，31(5)：660-664．

LI J, ZONG Y P, WANG Y M, et al. Comparative investigation on wear behavior of iron matrix composites reinforced by different ceramic particles[J]. Journal of Northeastern University, 2010, 31(5): 660-664.

[16] PRASAD D S, SHOBA C. Hybrid composites-a better choice for high wear resistant materials[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2014, 3(2):172-178.

[17] 李秀倩，焦健，邱海鵬，等．ZrC/SiC多組元改性C/C復合材料的制備及性能研究[J]．航空材料學報，2014，34(3)：69-73．

LI X Q, JIAO J, QIU H P, et al. Preparation and performance of ZrC/SiC multi-components modified C/C composites[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014,34(3): 69-73.

[18] ZHAO D G, LIU X F, PAN Y C, et al. Microstructure and mechanical properties ofinsitusynthesized (TiB2+Al2O3)/Al-Cu composites[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 189(1-3): 237-241.

[19] 曹新建，金劍鋒，張躍波，等．陶瓷顆粒表面鍍銅對陶瓷顆粒增強鐵基復合材料性能的影響[J]．材料研究學報，2015，29(1)：17-24．

CAO X J, JIN J F, ZHANG Y B, et al. Electroless copper plating on different types of ceramic particles and its effects on mechanical properties of particulate reinforced iron matrix composites[J].Chinese Journal of Material Research, 2015, 29(1): 17-24.

[20] 金培鵬，韓麗，王金輝，等．輕金屬基復合材料[M]．北京：國防工業出版社，2013．

[21] CAO X J, JIN J F, ZHANG Y B, et al. Mechanical properties of iron matrix composites reinforced by copper-coated hybrid ceramic particles[J]. Journal of Material Research, 2015, 30(15): 2360-2368.

(本文責編：楊 雪)

Wear Resistance of Iron Matrix Composites Reinforced by Mixed-type Particles

CAO Xin-jian,JIN Jian-feng,CAO Jing-yi,ZONG Ya-ping

(Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials (Ministry of Education),School of Material Science and Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

Ceramic particles reinforced iron matrix composites were prepared by the dynamic temperature resistant hot press technology. The wear resistance of the iron matrix composites reinforced by monolithic particles (SiC，TiC，TiN) and hybrid particles mixture (TiC+TiN, SiC+TiN, SiC+TiC) under high volume fraction of 25%, 30% and 35% were investigated. The results show that when using monolithic particle as reinforcement, the wear resistance of the TiNp/Fe composite is the best among the three monolithic composites, the TiCP/Fe is the second and the SiCP/Fe is the worst. The wear resistance of (TiC+TiN)P/Fe is better than that of the composites reinforced by corresponding monolithic particles, which represents the great effect of hybrid strengthening. When the volume fraction of particles is 30%, the wear resistance of the (TiC+TiN)P/Fe composite increases the most and the wear loss decreases by 51.9% and 44.1% than that of the TiCP/Fe and TiNp/Fe, respectively. However, the wear resistance of (SiC+TiC)P/Fe and (SiC+TiN)P/Fe composites are between that of the two corresponding monolithic composites. The microstructure of worn surfaces shows that the wear mechanism of the (TiC+TiN)P/Fe composite is abrasive wear, while that of the (SiC+TiN)P/Fe and (SiC+TiC)P/Fe are fatigue and abrasive wear.

ceramic particle;iron matrix composite;hybrid particle reinforcement;wear resistance

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001136

TB333

A

1001-4381(2017)08-0062-06

國家自然科學基金資助項目(51171040,U1302272,51301035)；國家高技術研究發展計劃(2013AA031601)；中央財政基本科研業務費 (L1502028,N151004004)

2015-09-15;

2016-03-20

金劍鋒(1978-)，男，副教授，博士，研究方向為金屬基復合材料及計算材料學，聯系地址：遼寧省沈陽市和平區文化路3巷11號東北大學材料科學與工程學院(110819)，E-mail：jinjf@atm.neu.edu.cn