韩文华 宋博宇 刘桂荣

【摘 要】通过自蔓延高温合成法和真空消失模铸渗法制备出了TiB2和TiC颗粒增强45钢基表面复合材料，研究了热处理温度对表面复合材料组织的影响。结果表明：经过热处理后复合材料的复合层与基体呈良好的冶金结合，没有宏观和微观缺陷。TiB2和TiC 颗粒形貌发生改变，生成的TiB2和TiC颗粒數量减少、尺寸减小。

【关键词】表面复合材料;热处理温度;TiC颗粒;TiB2颗粒

中图分类号： TB333;TG156 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）22-0171-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.079

复合材料由于兼具了基体和增强相的优点，而被誉为21世纪最有潜力的工程材料[1]。金属基复合材料（Metal Matrix Composites，简称MMCs）是以金属为基体，以金属或非金属的长/短纤维、晶须、颗粒等为增强相的复合材料。与传统的金属材料相比，金属基复合材料的强度、刚度及耐热范围大大提高[2]。本研究以应用广泛的碳钢为基体，TiB2和TiC颗粒增强相集中分布在易磨损的部位（表面），复合工艺简单，成本低廉。通过自蔓延高温合成法和真空消失模铸渗法制备出的复合材料内部组织致密性和均匀性有待提高。恰当的热处理工艺可以起到细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀，还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。

本文通过研究复合材料的形成机制，为TiB2和TiC颗粒增强金属基复合材料的设计、制造开辟新的思路和途径，为先进耐磨复合材料的工业化和实用化提供理论依据和实用技术。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

合金粉末预制块主要成分和质量分数占比见表1。

将钛粉、碳化硼粉和钛铁粉按比例称重后放入研磨皿中进行充分研磨，目的是使合金粉末混合均匀，以便在自蔓延高温合成反应中生成弥散分布的增强颗粒。充分研磨后，加入少量的脱水硼砂（硼砂放入陶瓷坩埚中加热翻炒，直到硼砂完全转变成为白色的粉末为止。）继续研磨，直至所有粉末混合均匀。将混合均匀的粉末平均分成若干份，每份中均加入合成树脂，边加入边搅拌，直至干粉消失。

1.2 试验方法

将加入了合成树脂的合金粉末放入压力机的模具中压制成Φ30mm×5mm的合金粉末预制块，而后放置到通风处充分干燥。待合金粉末预制块充分干燥后与用ESP做成的浇注系统粘结在一起，涂挂防粘砂涂料后再放置到通风处继续干燥，接下来再涂挂第二次，二次充分干燥后等待浇注。45钢的冶炼在中频感应炉中进行，浇注温度控制在1600℃左右。

将成型后的复合材料进行机械切割并制成大小合适的试样，以待进行热处理。因45钢属于亚共析钢（wc=0.3～0.6%），故热处理工艺采用完全退火。完全退火是将钢件或钢材加热至Ac3以上20～30℃。所以对于45钢选定820℃、840℃两个热处理温度对表面组织的影响进行讨论，冷却方式均为随炉冷却。

2 试验结果及分析

图1示出了不同奥氏体化温度下的过渡层的显微组织。图1（a）示出了复合材料铸态下的组织，由图知，复合材料过渡层与基体界面清晰明显，过渡层中黑色相较多，分布较均匀，但仍有偏析现象存在。经过820℃和840℃热处理后，复合材料过渡层与基体交界处黑色相明显减少，但仍呈良好的冶金结合，没有宏观和微观缺陷，如图1（b）、（c）所示。复合材料铸态组织过渡层中黑色相多是由于在高温钢水的冲击作用下，复合层中的增强颗粒向基体扩散的结果。在热处理过程中，随着温度的升高，增强颗粒重新熔解到了奥氏体中，并在冷却过程中不再析出。

图2示出了复合材料铸态组织和经过840℃热处理后的复合层的增强颗粒形貌。铸态组织中的增强颗粒数量较多，尺寸分布不均匀，颗粒边缘有尖角。经过840℃热处理后，复合层中的TiB2和TiC颗粒数量减少，颗粒尺寸较均匀。TiB2和TiC颗粒在铸态下多呈六棱柱和多边形，热处理后变得圆整。这是因为TiB2和TiC颗粒的尖角增加了颗粒的表面积，使得颗粒的表面自由能升高，原子处于不稳定状态。为了向稳定状态过渡，需要减小自由能，原来尖角的部位熔化，Ti原子、B原子和C原子自发地扩散到奥氏体中，使得TiB2和TiC颗粒变得圆整。随着热处理温度的升高，复合层中TiB2和TiC颗粒部分熔解到奥氏体中，使得初生TiB2和TiC数量减少。

3 结论

随着热处理温度的升高，复合层中TiB2和TiC颗粒部分熔解到奥氏体中，复合材料复合层组织中TiB2和TiC颗粒增强颗粒数量减少，尺寸分布均匀，颗粒形貌变得圆整。

【参考文献】

[1]朴东学.铸造金属基复合材料的现状及发展动向[J].铸造，2000（9）：14-16.

[2]苑美实，孙海明.金属复合材料在机械制造中的应用[J].科学技术创新，2019（19）：174-175.

[3]刘光明，杨丽峡等.轧后热处理工艺对AZ31镁合金铸轧板组织性能的影响[J].材料热处理学报，2019，40（06）：26-32.