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[摘 要]本文简要地介绍了陶瓷颗粒增强钢基复合材料的几种常用制备方法和研究进展。并介绍了钢基复合材料的机械性能。最后阐述了钢基复合材料目前存在的问题和发展趋势。
[关键词]陶瓷 颗粒增强 钢基复合材料
中图分类号：D112 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0304-01
0. 引言
随着现代工业的发展，在高温、磨损与腐蚀等恶劣工况条件下工作的设备，迫切需求高效长寿低成本的零部件，而钢基复合材料是制备这一类零部件的优质新型材料，因此系统深入地研究钢基复合材料，解决技术难题，成功开发出钢基复合材料制品已是时代急需。而颗粒增强钢基复合材料主要有以下优点：增强颗粒种类较多；制备成本低；微观结构均匀；机械性能的各相同性；材料可进行二次加工；可以通过热处理来进一步调整复合材料的基体组织，提高材料性能等。
1. 主要制备方法
1.1 粉末冶金法
粉末冶金法是将增强颗粒与金属粉充分混合后冷压成型，真空加热到固液两相区内热压，将热压后的坯料进行热挤压或冷轧制成零部件。90年代王翔等人采用此法制备了Al2O3颗粒增强钢基复合材料研究表明，材料整体硬度提高HRC20～30，耐磨性提高6.6倍。但是粉末冶金技术也存在着一些弊端，如制件的大小和形状受到一定限制；工艺程序多，制备周期长，成本高。
1.2 铸造法
铸造法的优点是工艺简单、成本低、易于制大型复杂零件等。但是，由于钢铁材料的熔点较高、润湿性差、以及钢铁的密度与增强体的密度相差较大等原因，要获得增强体分布均匀、结合强度高的钢铁基复合材料特别困难。
卢德宏等人用铸造法成功制备了自生TiC颗粒增强的高锰钢基复合材料，结果表明，含5%Ti的复合材料热处理态硬度达到HRC39，是纯高锰钢的2.6倍。
冯培忠报道了离心铸造WC颗粒增强钢基复合材料辊环的研制情况，发现轧辊工作面具有很高的硬度、强度和良好的耐磨性，芯部材料韧性较好，有利于吸收冲击功。此法工艺简单，适合于制备一定尺寸、形状的构件。但是，由于外加的增强颗粒与钢基体的相容性差，又存在严重的界面反应等原因，其增强效果不够理想。
1.3 电冶熔铸法
电冶熔铸法来生产颗粒增强钢基复合材料是合肥工业大学材料学院尤显卿等人发明的专利权。该工艺是将粉末冶金技术、冶金铸造技术和被称为当今冶金前沿技术中的电渣熔铸工艺进行相互结合而成的一种新的生产工艺。尤显卿等人采用电冶熔铸工艺制备了含27%WC粒子的WC/GCr15钢复合材料，结果表明：复合材料中的WC颗粒部分溶解于钢基体相，两相界面形成厚达数微米的反应层，有效地提高了界面结合强度。电冶熔铸WCP钢复合材料的耐磨性能比基体材料GCr15钢提高了5倍以上。
1.4 原位合成法
原位合成法是指借助合金设计，在一定的条件下在基体金属内原位反应形核生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。这种增强相一般具有高硬度、高弹性模量和高强度的陶瓷颗粒，即碳化物、氧化物、氮化物、硼化物。符寒光等人采用原位合成颗粒增强钢基复合轧辊材料研究表明，复合材料力学性能特别是硬度明显优于常用合金铸铁轧辊，接近硬质合金轧辊的水平；使用寿命比常用合金铸铁轧辊提高8～10倍，接近硬质合金轧辊水平。王振廷等人采用原位自生TiC颗粒增强金属基复合材料涂层的组织与性能。结果表明，熔覆层与基体呈冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷；颗粒尺寸为0.5～1.0μm，均弥散分布于熔覆层中，涂层的显微硬度可达980～1000HV。
1.5 实型负压铸渗法
此方法用聚苯乙烯泡沫材料（EPC）制备试样模型，将增强颗粒均匀涂于试件（EPC） 需要合金化的表面。然后将模型埋入干砂中，振实后在负压状态下浇注的一种新工艺，它可以获得精度高，质量好的铸件。夏亚峰等人用V-EPC铸渗铁基复合材料的研究，得出了影响深层质量的因素，并对其优化，发现在1420℃，筛号为45的SiC和0.04MPa的真空度的情况下能得到4mm厚的良好渗层。阎峰云等人采用V-EPC法对45#钢表面进行了Ni基合金的渗层处理，结果发现，合金层与基体材料结合良好，未见宏观及微观裂纹。
2. 陶瓷颗粒增强钢基复合材料的主要性能
由于钢基复合材料的特殊结构不同于一般的钢铁材料，因此钢基复合材料的力学性能、物理性能、微观结构、耐磨性能等有许多特点，如具有高强度、硬度、耐磨性、冲击性等。
2.1 硬度和耐磨性
陶瓷颗粒增强钢基复合材料的硬度和耐磨性都比钢基体高。文献指出，随着增强体颗粒体积分数的增加，磨损抗力可大幅度提高，最高可达数十倍。由于大多数增强体都坚硬耐磨，当基体对其有足够的镶嵌作用时，它们直接承受摩擦偶的正向载荷，使基体材料免于直接对磨，从而提高材料的耐磨性。
Q.C. Jiang等人采用高温自蔓延法制备了TiC原位增强钢基复合材料，结果发现，复合材料的硬度和耐磨性有了较大的提高。与未有TiC增强的钢基体相比，TiC增强钢基复合材料的硬度和耐磨性分别提高了67.6%和349%。
武振生等人采用Ti2C2Al2Ni系SHS熔铸制备TiC颗粒增强钢基表面复合材料，结果表明：用SHS熔铸法制备的钢基表面复合材料强化相和基体结合良好；表层TiC颗粒分布密集，颗粒均匀圆整，粒度为1～2μm；表面硬度高达950HV；且硬度由表层向基体呈梯度分布；磨损时密集的高硬度的细小圆球状TiC颗粒大大降低了磨损率；耐磨性比基体提高5. 6倍。
2.2 塑性和冲击韧性性能
与钢基体材料相比，复合材料的塑性和冲击韧性都有大幅度的下降。在铁基粉末冶金材料中加入SiC的含量超过15%时，冲击韧性下降到基体性能的25%以下。宋怀江等人利用离心铸造法制备了WC颗粒增强高锰钢基表面复合材料，结果表明：制备的复合材料颗粒分布均匀，WC颗粒与高锰钢基体结合良好；WC的加入提高了材料的抗冲击磨料磨损性能。
3. 存在的问题
3.1 润湿性
陶瓷颗粒与钢基体的润湿性很差，以及存在界面反应等原因，导致界面结合力差，陶瓷颗粒容易脱落，从而大大降低了复合材料的性能。
3.2 制备工艺
由于钢基体熔点高，制备钢基复合材料技术难度大，制造装备复杂，仍存在陶瓷颗粒分布均匀性差，复合材料性能不穩定等难题。
3.3 试样加工
陶瓷颗粒增强钢基复合材料硬度大，耐磨性高，是一种优良的耐磨材料。但是由于陶瓷的存在，使得试样加工困难。
4. 展望
陶瓷颗粒增强钢基复合材料的出现，打破了过去单一钢铁材料耐磨性差的缺陷。随着科技的进步，理论的日益完善，钢基复合材料的高韧性和高耐磨性等性能的优化组合将显示出来。因此，钢基复合材料具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 卢德宏，商海燕 ，蒋业华，等. 自生TiC颗粒增强高锰钢基复合材料的研制[J].铸造技术，2004，25（2）：120-122.
[2] 尤显卿，马建国，任昊，等. 电冶熔铸WC/GCr15钢复合材料的摩擦磨损特性[J]. 材料热处理学报，2004，25（6）：40-44.
[3] 夏亚峰，张元好，丁洁森. V-EPC铸渗法制造铁基颗粒复合材料的研究[J].现代铸造，2003，2：18-21.
[4] 武振生，王树奇，苗润生，等. TiC颗粒增强钢基表面复合材料的制备[J]. 特种铸造及有色合金，2006，26：（2），126-128.
作者简介： 李菊，女，1981年生，硕士研究生，山东济宁技师学院讲师，济宁 （272000）.
[关键词]陶瓷 颗粒增强 钢基复合材料
中图分类号：D112 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0304-01
0. 引言
随着现代工业的发展，在高温、磨损与腐蚀等恶劣工况条件下工作的设备，迫切需求高效长寿低成本的零部件，而钢基复合材料是制备这一类零部件的优质新型材料，因此系统深入地研究钢基复合材料，解决技术难题，成功开发出钢基复合材料制品已是时代急需。而颗粒增强钢基复合材料主要有以下优点：增强颗粒种类较多；制备成本低；微观结构均匀；机械性能的各相同性；材料可进行二次加工；可以通过热处理来进一步调整复合材料的基体组织，提高材料性能等。
1. 主要制备方法
1.1 粉末冶金法
粉末冶金法是将增强颗粒与金属粉充分混合后冷压成型，真空加热到固液两相区内热压，将热压后的坯料进行热挤压或冷轧制成零部件。90年代王翔等人采用此法制备了Al2O3颗粒增强钢基复合材料研究表明，材料整体硬度提高HRC20～30，耐磨性提高6.6倍。但是粉末冶金技术也存在着一些弊端，如制件的大小和形状受到一定限制；工艺程序多，制备周期长，成本高。
1.2 铸造法
铸造法的优点是工艺简单、成本低、易于制大型复杂零件等。但是，由于钢铁材料的熔点较高、润湿性差、以及钢铁的密度与增强体的密度相差较大等原因，要获得增强体分布均匀、结合强度高的钢铁基复合材料特别困难。
卢德宏等人用铸造法成功制备了自生TiC颗粒增强的高锰钢基复合材料，结果表明，含5%Ti的复合材料热处理态硬度达到HRC39，是纯高锰钢的2.6倍。
冯培忠报道了离心铸造WC颗粒增强钢基复合材料辊环的研制情况，发现轧辊工作面具有很高的硬度、强度和良好的耐磨性，芯部材料韧性较好，有利于吸收冲击功。此法工艺简单，适合于制备一定尺寸、形状的构件。但是，由于外加的增强颗粒与钢基体的相容性差，又存在严重的界面反应等原因，其增强效果不够理想。
1.3 电冶熔铸法
电冶熔铸法来生产颗粒增强钢基复合材料是合肥工业大学材料学院尤显卿等人发明的专利权。该工艺是将粉末冶金技术、冶金铸造技术和被称为当今冶金前沿技术中的电渣熔铸工艺进行相互结合而成的一种新的生产工艺。尤显卿等人采用电冶熔铸工艺制备了含27%WC粒子的WC/GCr15钢复合材料，结果表明：复合材料中的WC颗粒部分溶解于钢基体相，两相界面形成厚达数微米的反应层，有效地提高了界面结合强度。电冶熔铸WCP钢复合材料的耐磨性能比基体材料GCr15钢提高了5倍以上。
1.4 原位合成法
原位合成法是指借助合金设计，在一定的条件下在基体金属内原位反应形核生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。这种增强相一般具有高硬度、高弹性模量和高强度的陶瓷颗粒，即碳化物、氧化物、氮化物、硼化物。符寒光等人采用原位合成颗粒增强钢基复合轧辊材料研究表明，复合材料力学性能特别是硬度明显优于常用合金铸铁轧辊，接近硬质合金轧辊的水平；使用寿命比常用合金铸铁轧辊提高8～10倍，接近硬质合金轧辊水平。王振廷等人采用原位自生TiC颗粒增强金属基复合材料涂层的组织与性能。结果表明，熔覆层与基体呈冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷；颗粒尺寸为0.5～1.0μm，均弥散分布于熔覆层中，涂层的显微硬度可达980～1000HV。
1.5 实型负压铸渗法
此方法用聚苯乙烯泡沫材料（EPC）制备试样模型，将增强颗粒均匀涂于试件（EPC） 需要合金化的表面。然后将模型埋入干砂中，振实后在负压状态下浇注的一种新工艺，它可以获得精度高，质量好的铸件。夏亚峰等人用V-EPC铸渗铁基复合材料的研究，得出了影响深层质量的因素，并对其优化，发现在1420℃，筛号为45的SiC和0.04MPa的真空度的情况下能得到4mm厚的良好渗层。阎峰云等人采用V-EPC法对45#钢表面进行了Ni基合金的渗层处理，结果发现，合金层与基体材料结合良好，未见宏观及微观裂纹。
2. 陶瓷颗粒增强钢基复合材料的主要性能
由于钢基复合材料的特殊结构不同于一般的钢铁材料，因此钢基复合材料的力学性能、物理性能、微观结构、耐磨性能等有许多特点，如具有高强度、硬度、耐磨性、冲击性等。
2.1 硬度和耐磨性
陶瓷颗粒增强钢基复合材料的硬度和耐磨性都比钢基体高。文献指出，随着增强体颗粒体积分数的增加，磨损抗力可大幅度提高，最高可达数十倍。由于大多数增强体都坚硬耐磨，当基体对其有足够的镶嵌作用时，它们直接承受摩擦偶的正向载荷，使基体材料免于直接对磨，从而提高材料的耐磨性。
Q.C. Jiang等人采用高温自蔓延法制备了TiC原位增强钢基复合材料，结果发现，复合材料的硬度和耐磨性有了较大的提高。与未有TiC增强的钢基体相比，TiC增强钢基复合材料的硬度和耐磨性分别提高了67.6%和349%。
武振生等人采用Ti2C2Al2Ni系SHS熔铸制备TiC颗粒增强钢基表面复合材料，结果表明：用SHS熔铸法制备的钢基表面复合材料强化相和基体结合良好；表层TiC颗粒分布密集，颗粒均匀圆整，粒度为1～2μm；表面硬度高达950HV；且硬度由表层向基体呈梯度分布；磨损时密集的高硬度的细小圆球状TiC颗粒大大降低了磨损率；耐磨性比基体提高5. 6倍。
2.2 塑性和冲击韧性性能
与钢基体材料相比，复合材料的塑性和冲击韧性都有大幅度的下降。在铁基粉末冶金材料中加入SiC的含量超过15%时，冲击韧性下降到基体性能的25%以下。宋怀江等人利用离心铸造法制备了WC颗粒增强高锰钢基表面复合材料，结果表明：制备的复合材料颗粒分布均匀，WC颗粒与高锰钢基体结合良好；WC的加入提高了材料的抗冲击磨料磨损性能。
3. 存在的问题
3.1 润湿性
陶瓷颗粒与钢基体的润湿性很差，以及存在界面反应等原因，导致界面结合力差，陶瓷颗粒容易脱落，从而大大降低了复合材料的性能。
3.2 制备工艺
由于钢基体熔点高，制备钢基复合材料技术难度大，制造装备复杂，仍存在陶瓷颗粒分布均匀性差，复合材料性能不穩定等难题。
3.3 试样加工
陶瓷颗粒增强钢基复合材料硬度大，耐磨性高，是一种优良的耐磨材料。但是由于陶瓷的存在，使得试样加工困难。
4. 展望
陶瓷颗粒增强钢基复合材料的出现，打破了过去单一钢铁材料耐磨性差的缺陷。随着科技的进步，理论的日益完善，钢基复合材料的高韧性和高耐磨性等性能的优化组合将显示出来。因此，钢基复合材料具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 卢德宏，商海燕 ，蒋业华，等. 自生TiC颗粒增强高锰钢基复合材料的研制[J].铸造技术，2004，25（2）：120-122.
[2] 尤显卿，马建国，任昊，等. 电冶熔铸WC/GCr15钢复合材料的摩擦磨损特性[J]. 材料热处理学报，2004，25（6）：40-44.
[3] 夏亚峰，张元好，丁洁森. V-EPC铸渗法制造铁基颗粒复合材料的研究[J].现代铸造，2003，2：18-21.
[4] 武振生，王树奇，苗润生，等. TiC颗粒增强钢基表面复合材料的制备[J]. 特种铸造及有色合金，2006，26：（2），126-128.
作者简介： 李菊，女，1981年生，硕士研究生，山东济宁技师学院讲师，济宁 （272000）.