钢基SiC颗粒增强复合材料耐磨锤头的研制

作者：信息来源:模具 2008-5-31

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摘要：叙述了钢基SiC颗粒增强复合材料耐磨锤头的制备工艺。分析了复合材料的显微组织及力学性能。工业实验结果：比原普通白口铸铁锤头的使用寿命提高5倍。关键词：复合材料。...

摘　要：叙述了钢基SiC颗粒增强复合材料耐磨锤头的制备工艺；分析了复合材料的显微组织及力学性能；工业实验结果：比原普通白口铸铁锤头的使用寿命提高5倍。
关键词：复合材料；耐磨锤头；碳化硅
中图分类号：TB33；TG249　文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2000)01-0044-02

The Development of Wear Resistant Hammers of SiC_p/Steel-matrix Composites

LIU Yi, LIU Wei-hua, TANG Yong-hua, ZI Shu-yan
（School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University）

Abstract：The process of obtainning the SiC_p particle reinforced composite material has been studied; this composite material's microstructure and properties were analized.The testing results shown that the service life improving 5 times than the general white cast iron hammers.
Key words：composite material; wear resistant hammers; silicon carbide▲

1　引言

　　钢基SiC颗粒增强复合材料具有质量轻、尺寸稳定、硬度高、摩擦系数小、耐磨性高等特点^［1］，逐渐被建筑、农业机械、矿业机械等行业重视。但因其研究时间短，投入不足，制备工艺尚需探讨和改进。本文的工作，研究新的钢基SiC颗粒增强复合材料制备工艺，制造出具有耐磨性高、韧性好、成本低廉、并能取代普通白口铸铁来制造锤头的复合材料。

2　实验材料及实验方法

2.1　实验材料
　　实验采用的基体材料ZG35SiMnTi的化学成分，以及SiC颗粒和基体的物理性能如表1、2所示。

表1　基体材料化学成分(w,%)及临界点(℃)

<DIV align=center>CSiMnTiSPTsAc₁Ac₃Ms0.341.101.200.080.0360.0361280750830330</DIV>

表2　SiC_p与基材的物理性能

<DIV align=center>材料密度
(kg/m³)比热
(J/kg^.K)熔点
(℃)导热系数
(W/m^.K)热膨胀系数
(×10^-6.e^-1)弹性模量
(GPa)SiC
基材3160
78501195
460.52827
128087
46.54.30
13.31430
200</DIV>2.2　复合材料耐磨锤头的制备——型内悬浮铸造^［2］
　　泡沫塑料模载体的制取：聚苯乙烯预发泡→塑料粒珠→粘附 SiC粒子→终发泡→泡沫塑料模。SiC颗粒体积比25%，颗粒粒度分别为40^#、70^#、100^#。
　　浇注系统设计：选用顶注法湿型铸造，泡沫塑料模载体放置型腔一侧端部，如图1示。

图1　试样浇注系统示意图

　　局部复合材料的形成：向铸型由上至下浇注1 500 ℃的基材钢液时，泡沫塑料模载体遇钢水汽化，其中的SiC粒子接触到钢液，并混合其中，形成局部混合。
2.3　热处理工艺
　　热处理工艺如表3所示。

　表3　复合材料热处理工艺规范

<DIV align=center>淬火+低温回火850℃×30min水冷，200℃×120min空冷正火850℃×35min空冷退火860℃×120min炉冷至300℃空冷</DIV>

3　实验结果及分析

3.1　显微组织
　　图2为含25%70^＃SiC_p复合材料铸态金相组织。图中黑色片状组织为珠光体，晶界处白色不连续网状组织为铁素体(显微硬度150 HV)，白色针状组织为魏氏体，晶内珠光体与魏氏体组织上的不规则白色块状物为SiC颗粒(显微硬度1 600 HV)。

图2　含25%70^#SiC_p的复合材料铸态金相组织
(3%HNO₃酒精溶液腐蚀)　400×

3.2　力学性能
　　图3为不同粒度、不同状态的复合材料的SiC颗粒周围基体的显微硬度。从图3a可见，距离粒子越远，硬度越低。其原因是：(1)SiC颗粒与基体金属之间存在着热膨胀系数和弹性模量的差异，所以高温凝固的复合材料颗粒间的基体呈复杂的三向压应力状态，使其周围的位错密度增强，并产生应变强化，增加变形抗力；(2)凝固过程中由于粒子活性质点和激冷作用，使基体得到细晶强化；(3)增强相作为硬质点，粒子与基体的界面都将阻碍位错运动而强化组织，提高了塑性变形抗力。

图3　不同粒度(a)、不同热处理状态(b)的复合材料
的SiC颗粒周围基体的显微硬度

　　不同热处理工艺的复合材料和基体材料的硬度和耐磨性如表4、5所示。由表5可见，无论是铸态还是采用不同的热处理工艺的70^#SiC颗粒复合材料，耐磨性都比基体ZG35MnSiTi钢高。

表4　复合材料与基体材料不同热处理规范的硬度对比

<DIV align=center>材料铸造态
(HB)退火态
(HB)正火态
(HB)淬火态
(HRC)ZG35MnSiTi25525528555复合材料(SiC 70^#)27026928859</DIV>

表5　不同热处理工艺的复合材料与基体耐磨性对比

<DIV align=center>　ZG35MnSiTi复合材料(SiC 70^#)铸态退火态正火态淬火态磨损量0.31670.13780.17480.12990.0730相对耐磨性12.2981.81182.4384.338</DIV>

4　复合材料耐磨锤头的工业实验

　　用于工业实验的25%70^#SiC颗粒增强钢基耐磨复合材料锤头，是浇注后冷却至820～840℃时打箱落砂，空冷至320～350℃时将铸件放入回火炉内(或绝热容器中)保温2 h，然后取出铸件。
　　工业实验在阜新蒙古族自治县烧结砖厂进行，破碎物料为煤矸石，所使用的锤头材质分别为复合材料、ZG35MnSiTi、普通白口铸铁。装机运行60 h，其结果为：耐磨复合材料锤头的使用寿命比ZG35MnSiTi锤头提高4.11倍，比普通白口铸铁锤头提高5.6倍。

5　结论

　　(1)以泡沫塑料模作为SiC的载体，采用型内悬浮铸造法，可以浇注出高质量的局部或全部复合的SiC_p/钢基复合材料的铸钢件。
　　(2)25%体积比、70^#SiC颗粒增强钢基铸造复合材料能大大提高基体材料的耐磨性能。铸态复合材料的相对耐磨性比基体材料提高2.3倍；淬火态复合材料提高4.3倍。
　　(3)装机实验证明，70^#粒度25%的SiC颗粒增强钢基铸造耐磨复合材料粉碎机锤头，采用高温落砂正火强化处理，其耐磨性即使用寿命比原普通白口铸铁铸态锤头提高5倍。■

作者简介：刘忆(1956-)，女，副教授，硕士，机械工程学院副院。
作者单位：刘忆（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000）
　　　　　刘卫华（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000）
　　　　　唐永华（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000）
　　　　　訾树燕（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000）