现代工业的发展对材料耐磨性的要求越来越高。冶金、矿山、建材、电力、化工、煤炭和农业等部门需要各种各样的破碎粉磨设备（如矿山机械、工程机械和农机机械），这些设备的零部件易受到沙石、矿石、土壤等各种物料及研磨体的磨损，每年需要消耗大量的金属。据不完全统计，能源的1/3～1/2 消耗于摩擦与磨损；对金属材料来说，约80％的零件失效是由磨损引起的，其中因磨粒磨损而失效的约占50％。这不仅消耗大量的金属材料，而且由于严重的磨损，机械零件的效率大大降低，能耗增高。同时频繁更换零件造成设备乃至生产线停机，大大降低了生产效率，因而每年这一项的经济损失是巨大的。
表面磨损是这些机械零件失效的主要原因，不仅影响机械产品的使用寿命，也会造成生产及使用成本的增加，如矿山行业其碎矿、磨矿过程中所消耗的金属材料占其选矿成本的一半。因此提高机械零件表面耐磨性一直是一项重要的课题。
真空实型铸渗法是将真空实型铸造技术与表面铸渗法结合起来的新型铸造工艺，不仅工艺简单，铸件质量高，绿色环保，而且表面层厚度大，与基体结合好等特点，是一种极具发展前景的工艺方法。本文对于真空实型铸渗工艺制备钢基耐磨复合材料进行了系统的研究，研究了涂料的配置方法，浇注过程以及材料的微观组织。
1、材料制备
1.1、耐磨涂料组成的确定
提高材料表面硬度和耐磨性有三种途径：一是采用对基体进行表面合金化的方法，使合金元素溶入基体而起到固溶强化作用，并设法生成弥散的高硬度碳化物相；二是在材料的复合层直接添加高硬度，高模量的陶瓷颗粒，利用颗粒在磨损过程中阻止磨料对基体的显微切削和犁沟变形来提高材料的耐磨性；三是以上两种方法的复合。本文采取的是第三种方法，即在耐磨涂料中同时加入合金元素和陶瓷颗粒，合金元素溶入基体，提高表层基体的强度，陶瓷颗粒作为增强体颗粒可提高表层耐磨性。
在表面复合材料的制备过程中，耐磨涂料配方对表面复合层的质量起决定性的作用。耐磨涂料主要由增强体颗粒、合金粉末、EPS （全称Expandable Polystyrene，中文名为发泡聚苯乙烯）小颗粒、粘结剂等组成。增强体颗粒是提高表层耐磨性的摩擦组元；合金元素可提高表层基体强度；EPS 小颗粒在浇注时气化，为金属液向表面层铸渗提供有效通道；粘结剂将各种固体渗剂粉末调成浆料状，方便将其涂刷在泡沫塑料试样模型上。
在表面耐磨复合材料的使用过程中，增强颗粒将对材料磨损性能的提高具有非常重要的作用，因此加入的增强颗粒必须具备高硬度、高模量的性质，陶瓷颗粒正好可以满足这个要求。对于在铸钢表面添加高硬度陶瓷颗粒的方法，可供选择的陶瓷材料有碳化硅、碳化钨、碳化钛、碳化硼、氧化铝、氧化锆和氧化钛等。大部分陶瓷颗粒与铸钢液间的润湿性差，密度相差大，或者价格高，其中碳化硅颗粒价格便宜，来源也比较广泛，最重要的是与铸钢液的润湿性良好。从与基体材料的润湿性、抗磨性和抗腐蚀性几方面考虑，选择碳化硅颗粒作为本次试验中的抗磨硬质颗粒在技术上与经济上都是合适的。
在确定碳化硅作为增强体颗粒后，还要选择合适的颗粒粒度和颗粒含量，以获得耐磨性和经济性的最佳配合。在颗粒粒度大小的选择上，不能过大也不能过小，颗粒粒度过大会使复合材料产生脆性裂纹，而颗粒粒度过小又会导致熔解严重。同时还要考虑颗粒间的孔隙半径，即必须保证金属液能够渗透进去。本实验选用了粒度分别为80 μm 的碳化硅颗粒。考虑到材料的耐磨性要求，碳化硅颗粒的含量就不能太少，一般为30%～50%（体积百分比）比较适宜。
合金粉末主要是起固溶强化的作用，增强基体的强度。可选的合金粉末有铬合金、镍合金、钨合金等。铬能使钢铁材料的性能在很多方面得到改善和提高，应用范围十分广泛。铬作为主要合金元素时，能形成抗磨性高的合金碳化物(Fe,Cr)7C3，具有高的耐磨性，并能固溶于铸钢基体而提高基体的强度、硬度和蠕变抗力，同时并不降低钢的冲击韧度；其次铬主要存在于渗碳体、铁素体中，可以使碳化物的稳定性提高，并能阻止石墨化进程。因此，本次试验选择铬粉作为耐磨涂料中的合金粉末。合金粉末加入量对复合层耐磨性影响也较大。加入量过少时对增强颗粒的固溶性差，基体的强度低，耐磨性差；加入量增多时，基体的强度和耐磨性提高。但加入量过多，纯胶嵌合硬质颗粒的强度下降，粉末在外力作用下易脱落，从而导致复合层耐磨性下降。我们是初步试验研究，为了比较耐磨涂料中铬合金粉末含量对复合层耐磨性的影响，暂定耐磨涂料中铬合金粉末含量为1.5%（体积百分比）。
为了便于金属液渗入耐磨涂料层与增强体颗粒SiC 及合金粉末Cr 充分接触，在耐磨涂料中加入了EPS 小颗粒。浇注时，在高温金属液作用下，EPS 小颗粒被气化，形成了许多毛细管孔隙，为金属液渗入提供有利条件。EPS 小颗粒气化有助于金属液的渗入，使高温金属液与SiC 颗粒和铬粉充分接触，发生化学冶金反应。但是EPS 小颗粒加入太多时，气化产生大量的气体，不能通过耐磨涂层及时排出时，金属液流前的气隙压力很大，将严重阻碍金属液的充型，导致铸件产生浇不足、气孔等缺陷。同时，由于热解产物不能及时排出，易使铸件产生皱皮缺陷。但当EPS 小颗粒加入量少时，金属液不能很好的渗入涂料层，会使复合层容易剥落从而质量不高。
本文采用正交试验法优化了耐磨涂料配方，确定最佳耐磨涂料配方方案见表1。
表1 耐磨涂料成分及配比
1.2、粘结剂的选用和制备
在真空实型铸渗工艺中粘结剂的作用是很重要的，粘结剂是将耐磨涂料中各种固体组分粘结在一起，使其具有一定的强度，以免在浇注中被金属液冲散；其次，使其形成稳定的毛细管孔隙，提高金属液的铸渗效果。为了满足涂层的强度和透气性的要求，我们选择了有机粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，按其质量分数的12％配制而成。根据前期试验结果表明，选用聚乙烯醇缩丁醛作为耐磨涂料的粘结剂满足试验要求。
粘结剂的制备方法有许多种，试验中选择在电子恒温水浴锅中加热配制。在粘结剂配制过程中，用天平称量出每次所需聚乙烯醇缩丁醛与水的质量，然后把聚乙烯醇缩丁醛和水混合放入烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀；把烧杯放入电子恒温水浴锅中加热，在加热过程中用玻璃棒不断的搅拌，加速聚乙烯醇缩丁醛的溶解；加热一个小时左右，可以发现聚乙烯醇缩丁醛完全溶解，水溶液变得有粘性，停止加热；放在空气中冷却，当温度接近室温时，可以用于配制耐磨涂料。配制的粘结剂质量分数为12％。
按照表1 耐磨涂料配方将各固体粉末均匀混合后，加入粘结剂，涂刷在试样模型（利用发泡聚苯乙烯EPS 制作的模型）的表面，要求耐磨涂层厚度均匀。涂刷时以SiC 颗粒能附着在试样模型表面不脱落为准。按照浇注系统的设计，组合试样，用聚醋酸乙烯乳液（白乳胶）将试样和浇注系统粘结起来。粘结时，聚醋酸乙烯乳液应涂得薄而均匀，否则，不仅影响试样模型的尺寸精度，而且还会增加浇注时的发气量和燃烧后的残留物，影响铸件的质量。组合试样后放置2～3 h时，待白乳胶干后，在巩义神牛特种铸造厂涂料车间用浸涂的方法在模型表面浸上一层耐火涂料，此涂料为该铸造厂真空铸造专用耐火涂料。在生产实践中, 透气性和强度都满足要求。浸涂耐火涂料后，放在干燥室中干燥12 h 左右，就可以装箱浇注。
1.3、铸造工艺制定
真空实型铸造在浇注时，铸型内的泡沫塑料模样将发生体积收缩、熔融、气化和燃烧等一系列物理、化学变化。由于在真空实型铸造浇注过程中金属液—泡沫塑料模样—铸型三者相互作用，使它的浇注工艺比普通砂型铸造复杂的多。基体金属除应具有足够的强韧性外，更重要的是对渗剂材料有良好的润湿性和一定的溶解度，以保证在界面能形成以铁族为基体的固溶体，也就是说使界面呈冶金结合，以提高结合强度。研究中常采用铸铁合金或铸钢为基体金属。铸铁较铸钢而言，其熔点低，流动性好，因而有利于浸透，但因含C 及其它杂质元素偏高，高温下反应激烈，从而影响了界面结合。实践研究证明：
铸铁基铸件表面复合材料多用来制造抵抗低应力磨粒磨损工况的耐磨件比较合适，而对于一些整体要求具有较好的综合机械性能，而工作表面具有特殊性能（如耐蚀、耐热、耐磨）的工件，基体金属必须采用铸钢，才能满足零件外硬里韧的性能要求。铸钢件具有凝固温度高，凝固较快，流动性较差的特点，因而形成合格铸件表面复合层难度较大。如果采用金属涂覆铸造法或再配合负压铸型的真空吸力，能形成良好的合金元素扩散型或母液渗入型铸钢件表面复合材料。研究中常采用铸铁或铸钢为基体金属，一般来说，铸钢比铸铁具有更好的综合机械性能。
在本研究中，基体材质选择普通铸钢，采用真空实型铸渗工艺来制备钢基表面耐磨复合材料。
浇注温度对铸渗效果的影响非常明显。如果浇注温度高，金属液的粘度降低，流动阻力减小，润湿性也显著改善；同时颗粒从金属液获得的热量多，熔融状态持续时间长，这一切都有利于铸渗过程的进行，有利于化学冶金反应的进行和气体的排出，从而显著改善复合层质量。反之浇注温度低，则金属液的流动性变差，渗透能力降低，易产生气孔、夹渣等缺陷；此外金属液的温度低，也不利于耐磨层的熔化，导致复合层厚度降低。
适当提高浇注温度有助于：
①提供浇注过程中泡沫塑料模样气化分解所需要的热量；
②试样模型的完全分解；
③使试样模型气化后的固态产物渗透到型砂缝隙中。
但浇注温度不宜过高，否则会使铸件表面产生严重的粘砂缺陷。浇注温度是形成良好复合层的重要热力学条件，合金粉与基体的熔合要依靠金属液提供热量。由于泡沫塑料模样的分解是个吸热过程，浇注过程中会消耗大量的热量，因此真空实型铸造的浇注温度一般比普通砂型要高30℃～80℃。试验中设定的浇注温度为1600℃。
在相同条件下，对于铸渗效果真空度存在较大影响。一定范围内真空度的提高，可提高金属液的流动性，增强充型能力，有利于模样分解产物的排出，并使铸型紧实度高。但真空度过高时，铸件容易出现裂纹，而且金属液常被抽过涂料层形成铸件表面的针刺和粘砂缺陷。当真空度过低时，金属液的渗透能力差，渗层厚度往往比较薄，易产生剥落现象；另外真空度太低时，模样分解产生的气体不容易被抽出，使铸件易产生气孔缺陷。根据初步试验的结果，浇注时真空度设定为0.045 MPa。本实验采用的真空系统：包括真空泵、气水分离器、水浴罐、储气罐、截止阀、管道系统等。其中真空泵为SK 系列水环泵。
浇注方式对铸件质量的影响也较大。在整个浇注过程中应始终保持浇注系统被金属液充满，给予金属液以较大的静压力，有利于浇注速度的提高。快的浇注速度可瞬时提供较多的热量，弥补由于泡沫塑料模样气化而造成的金属热量的损失，使金属液始终保持足够的流速。相反，浇注速度太慢会增加金属液的热损失和降低它的温度，易产生冷隔、浇不足或铸件皱皮等缺陷。然而浇注速度又不可任意加快，否则会使铸型受冲刷及金属液在型内产生紊流，导致金属液包覆未气化的聚苯乙烯残留物或使气体不易排出型外，造成铸件夹渣和气孔等缺陷。
真空实型铸造浇注过程一般采用慢－快－慢的浇注方式。刚开始应慢浇，以防止模样气化过快而反喷；金属液充满直浇道后加快浇注速度，可以保证金属液尽快充填，以避免发生型壁塌陷；浇注后期应慢浇，以防止金属液的外溢，造成金属液的浪费和砂处理的麻烦。因此，试样中采用慢－快－慢的浇注方式。
造型时，先将砂箱放在振动台上填入底砂，振动30 s 后，刮平底砂，再放入模组，模组的放置位置要保证吃砂量。该试验的上吃砂量为100 mm，下吃砂量150 mm。填砂采用人工加砂，加砂时为避免砂流冲击模组，从边角地方加入，填满砂后，振动60 s。若表面的砂低于砂箱上顶面，再加砂振动30 s，直到砂表面完全不低于砂箱上顶面，然后再刮平砂表面，用塑料薄膜和胶带进行密封。在直浇道顶端放上浇口杯后，用石英砂堆在塑料薄膜上，防止浇注时飞溅出的金属液烧破塑料薄膜。造型完毕后，接上抽气软管，开启真空泵，检查真空度是否达到真空实型铸渗工艺的要求，检查有无漏气现象，若有漏气，用白泥堵上。
浇注前对砂箱抽真空，当真空度抽至0.045MPa 时可以浇注，浇注时遵循慢-快-慢的原则。本次试验浇注时间为5 s。浇注完毕后，继续抽真空，5 min 后关掉真空泵，30 min 后开箱、冷却、落砂、清理。
2、微观组织分析
表面复合材料的组织结构是决定其耐磨性能和综合性能的关键因素, 通过对组织结构的分析, 不但可以了解碳化硅颗粒与基体的结合情况、复合层与基体的差异，而且可以检验复合工艺的合理性、稳定性，起到优化复合工艺的作用。
2.1、复合材料的复合层显微组织分析
对钢基表面复合材料铸件取样，用金相砂纸打磨后，采用金刚石抛光膏抛光处理，经过4%硝酸酒精溶液腐蚀，来进行金相显微镜观察、扫描电镜观察及能谱分析。
图1 为试样的复合层显微组织金相照片，放大倍数为100 倍。从图中可以看出复合层组织中存在一条黑色的色相带，这种现象也出现在其它试样的复合层组织中。经过分析，发现这种现象的出现与抽真空的方向有关。因为试验中所用的砂箱是巩义神牛特种铸造厂自制的，在砂箱的底部安装有抽真空装置。浇注时，当抽真空的方向与金属液铸渗方向一致时，金属液流动速度加快，金属液冷却速度减慢，金属液温度相对就比较高，聚苯乙烯试样模型气化完全并被迅速抽走，不会产生夹渣现象；当抽真空方向与金属液铸渗方向相反时，金属液流动速度减慢，金属液冷却速度加快，金属液温度相对就比较低，聚苯乙烯试样模型气化不完全产生的渣质，被抽到复合层内部，形成了黑色色相带。综上所述，设计浇注系统时，抽真空方向和金属液的铸渗方向最好一致，这样不仅不产生夹渣现象，而且在负压作用下，可以增加复合层的厚度。
图1 试样复合层显微组织×100
2.2、复合层中增强颗粒的分布
图2 是表面复合材料的复合层扫描电镜照片，放大倍数为2000 倍。如图所示，基体上均匀分布的小颗粒为SiC 颗粒, 复合层中SiC 颗粒分布均匀，无聚集成团现象，每个SiC 颗粒周围都充满了基体，保证了基体对颗粒的支撑作用，且颗粒突出于试样表面，在制样研磨时没被磨掉，说明其与基体结合紧密。SiC 颗粒表面颜色与基体一致，是由于SiC 颗粒被金属液包融，呈冶金结合。在铸渗动力作用下，金属液渗透至颗粒间隙中，与合金元素铬粉和SiC 颗粒进行热交换，铬粉熔化后与金属液进行较充分的液态扩散和交互作用，SiC 颗粒被金属液包融，呈冶金结合。
图2 复合层扫描电镜照片×2000
为了观察复合层内部碳化硅颗粒的存在状态，我们在试样边缘破损处进行了扫描电镜观察，扫描电镜照片见图3，放大倍数为3000 倍。从图中可以看出碳化硅颗粒嵌入基体中，与基体紧密结合，并部分溶解于金属液，即呈冶金结合。碳化硅颗粒在金属液中的溶解度较大，其原因是：一方面金属液的浇注温度高，凝固时释放的结晶潜热较大，提供的总热量较多，所以使碳化硅在金属液中的溶解度增大；另一方面钢的含碳量低，铸渗后使复合层内金属液与碳化硅含碳量差距相对较大，高温浇注时碳浓度梯度大，扩散驱动力也大，所以碳化硅颗粒的溶解程度比较大。
图3 复合层中碳化硅颗粒×3000
碳化硅的溶解有三方面的影响：一方面，碳化硅的溶解必然降低颗粒的粒度完整性和在复合层中的体积分数，会削弱颗粒的增强效果，但在本试验工作中，由于采用了真空铸渗复合工艺，金属母液通过大量的毛细孔分散进入到铸渗层中，金属液散热面积大，凝固速度较快，所以碳化硅的溶解只是局限于表面极小微观尺度范围，不至影响其宏观形态；另一方面，碳化硅溶解而固溶于基体中并再结晶析出，可以对基体产生固溶强化和再结晶弥散强化作用，对复合层基体性能的提高是有利的；再一方面，碳化硅溶解使颗粒形成粗糙界面，颗粒与基体之间的接触面积加大，进一步提高了结合强度。碳化硅颗粒的适度溶解对颗粒体积含量影响不大，颗粒本体的粒形能保持完整，而对基体的强化作用却比较明显，因此对复合材料的整体性能的提高非常有利。
3、结论
本文针对表面承受磨粒磨损的机械易损铸件，采用真空实型铸渗工艺来制备一种陶瓷颗粒增强钢基表面耐磨复合材料。对复合材料的微观组织进行了分析。主要结论归纳如下：
（1）表面耐磨复合材料的制备过程中，以普通铸钢为基材，以SiC 颗粒、铬粉和EPS 小颗粒为耐磨涂料的主要组成成分， 浇注温度为1600℃，真空度为0.045 MPa，浇注时遵循慢- 快- 慢的原则。
（2）采用真空实型铸渗工艺制备陶瓷颗粒增强钢基表面耐磨复合材料，浇注方式简单可靠，复合效果好，界面致密而且结合强度高。
（3）对复合材料性能测试及微观组织分析表明，复合材料性能大大优于基体，碳化硅颗粒弥散复合层中，粒形基本保持完整，分布均匀，与基体构成冶金结合。
