冶炼铸铁新型模材和镍体金材粉末烧焊功能的研讨

 　　用普通电阻炉加石墨保护的方法成功地在铁素体基灰铸铁及珠光体基灰铸铁基体上制备了镍基自熔性合金粉末复合材料。利用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪、CMT4305型万能测试仪等分别对复合材料的显微组织、成分分布、显微硬度以及结合强度等进行了观察和测试。试验表明，在基体与覆层熔覆的过程中存在着元素的相互扩散，促进了二者之间的冶金结合，且铁素体基灰铸铁与镍基覆层之间的结合好于珠光体基灰铸铁，另外由于元素的扩散使基体与熔覆层组织的显微硬度呈梯度分布。

　　为表面涂覆材料，该自熔性合金粉末由上海司太立公司提供，熔点为920～1000℃，化学成分所示。

　　1.2试验方法采用普通的电阻炉加石墨保护的方法制备复合熔覆层材料，具体的试验步骤如下：用线切割机制备高为40mm，直径为25mm的铸铁圆柱，在其内钻深为35 mm，直径为12mm的孔；先后用酒精和丙酮将试样内径及表面清洗干净后，在烘干箱内烘干，然后将镍基自熔性合金粉末装入试样内，并装入有石墨保护的坩埚中待用；后将该坩埚放入升温到预订温度（1050℃）的电阻炉内，保温一定的时间（60min）后随炉冷至200℃，空冷到室温制得复合材料。

　　在距制得的复合材料的底面8mm处截取高为5mm的试样，分别用光学显微镜、显微硬度测试计、扫描电镜、能谱分析仪以及CMT4305型万能测试仪观察和测试该复合材料的显微组织、显微硬度、各元素沿垂直于界面的分布和涂层与基体材料的结合强度，剪切试验装置是铁素体基灰铸铁和珠光体基灰铸铁结合层的组织形貌。可以看到，无论是铁素体基灰铸铁还是珠光体基灰铸铁的低倍组织，自左而右都分为基体区，基体热影响区，结合区及熔覆层区。结合区存在于熔覆层区与基体热影响区之间，表现为一条宽约几十微米的“白亮带”。

　　为两种不同基体灰铸铁材料熔覆后的显微组织。可以看到远离结合界面的基体组织依然为铁素体加少量的珠光体，这一区域为基体区。临近界面处的一薄层区域内几乎全部为珠光体，这与正常基体区的组织是完全不同的，此为结合区，在结合区内看不到明显的界面，形成了牢固的冶金结合。基体区与结合区之间为基体热影响区，在该区，由界面向基体方向，珠光体的含量越来越少，铁素体的含量越来越多，直到正常的铁素体基灰铸铁组织，恰似渗碳层的显微组织特征。这是由于在基体及涂层二者熔覆的过程中，各元素发生了相互的扩散，镍基自熔性合金粉末()中的合金元素由熔覆层向基体区扩散，使该区的共析转变点左移，发生了共析转变，形成了珠光体，距离界面越近，扩散越充分，所以界面附近一薄层形成了全珠光体组织，距离界面越远，珠光体含量越少，远离界面的基体仍为正常的铁素体基体。

　　这与王俊英等［3］真空熔烧涂层的组织结构类似。而表1铁素体基灰铸铁的化学成分Table1Theconstitutionofferritebasegrayironw B（％）Mn 0.68 V 0.027 C 3.25 Si 1.96 S 0.026 P 0.040 Mo 0.40 Ti 0.20 C 3.20表2珠光体基灰铸铁的化学成分Table2Theconstitutionofpearitebasegrayironw B（％）Si 1.77 Mn 0.62 Cr 0.20 Mo 0.15 Cu 0.95 S 0.026 P 0.034 C 0.03表3镍基自熔性合金粉末的化学成分Table3TheconstitutionofNi－basedself－fluxingalloypowder w B（％）Cr 4.5 Si 2.0 B 0.7 Ni余量（a）铁素体基灰铸铁的石墨形态（未浸蚀）（b）珠光体基灰铸铁的石墨形态（未浸蚀）（d）珠光体基灰铸铁的基体显微组织（4％硝酸酒精溶液浸蚀）（c）铁素体灰铸铁的基体显微组织（4％硝酸酒精溶液浸蚀）则看不到明显的基体组织渐变的现象，只是结合区的珠光体组织更为致密，从中也可以明显地看出，整个区域被分成了基体区，基体热影响区，结合区以及熔覆区四大部分。两种材料熔覆后的组织界面处都比较均匀、致密，无夹杂。

　　2.2能谱分析铁素体基灰铸铁以及珠光体基灰铸铁熔覆后垂直于界面方向的线扫描分别我们可以明显地看出，对于两种材料的熔覆情况来说，无论是从基体到熔覆层，还是从熔覆层到基体都存在着一定程度的元素的扩散，这对二者能否到达冶金结合起着至关重要的作用。

　　Ni、Cr、B、Si元素从涂层向母材方向扩散，使得临近界面的母材处富集了大量的合金元素，不仅强化了基底，而且使铁碳相图中共析点左移，形成珠光体组织，从而提高了界面结合强度，产生牢固的冶金结合。而且从图中我们还可以看到，铁素体基灰铸铁的扩散区较珠光体基灰铸铁的扩散区要相对大一些，这说明，在相同条件下，元素在基体与熔覆层之间的扩散珠光体基灰铸铁要弱一些。

　　2.3显微硬度沿垂直于界面方向分别在铁素体基灰铸铁基体区、基体热影响区、结合区及熔覆层区取测试试样的显微硬度，载荷为300g，保荷时间12s，每一数值为三次测量的平均值。试验结果表明该复合材料的显微硬度分布有一定的规律性，其中铁素体基灰铸铁基体区的显微硬度值平均为212.4HV，基体热影响区的显微硬度平均为256.9HV，结合区的显微硬度值平均为294.8 HV，熔覆层区的显微硬度平均值为276.8HV，在熔覆层的某些区域（显微组织中的黑色区域）出现显微硬度突增的现象，达到825.2HV，这是由于熔覆层中形成了硬质相的原因。从整体上来讲，基体热影响区的显微硬度较基体区的要高，这是由于此区存在Ni、Cr、B、Si等元素的扩散，从熔覆区扩散来的合金元素对基体热影响区造成了固溶强化、弥散强化等。

　　剪切强度两种基体材料熔覆后的剪切强度通过剪切试验，可以看到，断裂发生在界面附近的基体侧，说明二者已达到牢固的冶金结合，我们也可以看到，两种基体与熔覆层材料的复合都达到了冶金结合，在同样的试验条件下得到的铁素体加少量珠光体基灰铸铁与熔覆层的结合强度较珠光体基铸铁与熔覆层的结合强度要大。这与前面我们所分析到的金相组织一致，而随着温度的升高，二者的结合强度存在一个佳值。铁素体基灰铸铁之所以比珠光体基灰铸铁与熔覆层金属结合的要好，这是因为熔覆层中主要的原子镍与铁具有相同的晶格结构，在一定的条件下能形成无限固溶体，而镍与珠光体中的渗碳体具有不同的晶格结构，渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，在珠光体中的含量占20％左右，且以层片状的形态与铁素体间隔共存，这在某种程度上也阻碍了镍原子在其中的扩散，相对来说镍在其中的扩散所需要的扩散激活能要高。

　　3结论通过普通电炉加石墨保护的方法能够成功地获得灰铸铁与镍基自熔性合金粉末的复合材料，这种方式相对其它喷焊工艺来讲，容易控制较为复杂的工艺参数，主要用于试验阶段的定性研究，找出玻璃模具表面涂覆的规律性，以指导生产。

　　在灰铸铁基体材料与镍基熔覆层材料的熔覆过程中，相互之间存在着一定的元素扩散，这些扩散促使二者达到冶金结合，其中铁素体基与镍基熔覆材料之间的结合力较珠光体基体与镍基熔覆层材料要强，达到242MPa.二者与镍基熔覆材料形成的复合材料的显微硬度都呈一定的梯度分布，界面处的基体材料以及熔覆层材料的显微硬度都因元素的扩散有不同程度的提高。

来源：中国模具网

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