铸渗法制备的活塞环硬质表层材料微观结构研究

【摘要】研究采用铸渗法在活塞环表面制备出硬质合金层，确定了以铬铁粉、FeB合金粉、WC粉Mo粉和Cu粉为基本原料，加入一定量的粘结剂与熔剂，混合均匀。采用铸渗法，在以ZG230-450为基体的活塞环表面制备硬质合金覆层；利用金相显微镜研究了铸渗覆层的金相组织，利用硬度计测量了铸渗覆层的硬度分布，利用SEM研究了铸渗覆层的微观结构和元素分布。铸渗层成分分析表明,在界面结合处实现了合金元素的扩散与渗透，硬质合金覆层与铸钢基体形成了良好的冶金结合。

活塞环是发动机的关键零部件，也是发动机中工况最苛刻的摩擦零件之一。它的工作环境很恶劣，要求耐150～200。C的高温、耐磨损、耐腐蚀，且工作时能承受载荷的不断变化，这就要求活塞环的表面处理层具有良好的耐磨性、抗咬合性、耐腐蚀性等性能。为提高材料表面的耐磨性，长期以来人们研制了多种金属表面强化方法，其中包括表面化学热处理、多弧离子镀、磁控溅射、镀铬、等离子处理和激光处理等。由于铸渗是直接利用浇注金属液的高温进行的扩渗处理或熔敷过程，从而省掉了化学热处理或熔敷处理的加热过程，大量节约了能耗。与常用的表面处理及铸件整体合金化工艺相比，具有方法简便、周期短的优点，且铸渗层具有高硬度、良好的耐腐蚀性及耐磨性等优良性能。

本试验利用铸渗法，以含Mo、Fe、B、Cr、Cu、WC组分的金属和合金粉末为原料，加入有机熔剂和粘结剂制备成料浆，再将料浆通过涂刷技术涂敷于铸造型腔表面，涂层厚度为2.0～3.5mm，然后对铸型进行烘烤，烘烤温度为300。C，并保温3h。最后进行钢液浇注，浇注温度为1620～1650。C，在活塞环表面制备出了组织致密，且具有高硬度及高抗磨性的硬质表层，同时保留了钢基体力学性能、韧性及加工性能好的优点。

一、试验方法

1．试验材料

(1)试样用铸钢   在250kg中频感应电炉中熔炼。

(2)铸渗材料   高铬铁粉末的粒度分别为0.355～0.154mm、0.09mm、0.045mm(50～100目、160目、320目)，化学成分见表1；硼铁粉末的粒度为0.355～0.154mm(50～100目)；WC粉末的粒度为0.071mm(＜200目)具体成分见表2；Cu粉的粒度为0.071mm(＜200目)；Mo粉的粒度为0.154mm(100目)；硼砂的粒度＜0.071mm(200目)，水玻璃模数为2.3～2.5。

2．铸造工艺

将按一定比例配制好的合金粉加入适量的水玻璃、熔剂(硼砂)及一定量的水调成涂料涂敷于型腔侧面后与砂型一起烘干。浇注时采用快速热电偶测温，严格控制浇注温度。试验时，合金涂料层在铸型的位置及浇注系统如图1所示。

3．铸后热处理工艺

为提高硬质表层的硬度和耐磨性，将对铸件进行热处理，其热处理工艺：在箱式电阻炉中加热到(900±10)℃，保温2.5h。分别在水中进行淬火，再放入电阻炉中加热到300℃，保温1.5h。硬度测定采用HR—150A型洛式硬度计对金相试样的宏观硬度进行测定，取其平均值。

二、试验结果及分析

1．表面复合材料的组织与硬度

将试验铸件切割成金相试样，用砂纸进行打磨抛光处理，并用4%硝酸酒精溶液腐蚀后，采用PMEOLYMPUS TOKY0型金相显微镜对铸渗试样断面和表面覆层进行金相组织的形貌观察(见图2、图3)。

图2a～图2f分别对应的是含铬铁(质量分数)90%、70%、50%、30%，以及含WC10%、20%的复合材料断面的铸态组织。从图中可以看出，在覆层与钢基体的界面结合处，覆层的增强相颗粒与钢基体组织相互交错紧密连接，也就是基体与渗层之间发生了互扩散，这说明渗层与基体的结合为冶金结合。

图3a～图3f分别对应的是含铬铁(质量分数) 90%、70%、50%、30%，以及含WC10%、20%的表面合金层的金相组织。由图可见，覆层组织较为致密，气孔率较低。图3e、图3f中有白色的鱼骨状组成相碳化钨，是浇入的高温钢液将渗剂熔化后重新结晶形成的；黑色块状组成相是铬碳化物，是重结晶时析出的初生碳化物，说明渗剂中的WC颗粒发生了重熔。

图4为用HR 150A型洛式硬度计测得的不同成分的复合铸渗层沿垂直于复合层方向的显做硬度分布。

从图4中可知，随着铬铁含量的减少，复合材料的最高硬度值逐渐减小。而含10%WC的复合层的洛式硬度值与含铬铁的复合材料的硬度值相比明显提高了，且复合材料的硬度在距表面约1.2mm处达到最高值，后又逐渐下降，过渡到基体硬度。这是因为在表层处，由于金属液冷却较快，使渗剂材料不能充分熔化，组织疏松程度大，结合强度较低，表层处的铸造缺陷也较多，因此该处硬度较低；次表层的硬度高是因为位于渗层中部的合金粉剂熔合质量好，形成致密铸渗层，且硬质相碳化钨和铬碳化物也起到很好的强化效果；而过渡区的存在使复合材料高硬度区至基体的硬度梯度变缓，这有利于提高复合材料的磨损抗力。

2. 扫描电镜显微组织

本试验采用型号为JEOLJSM-5910LV的扫描电镜对所得试样进行分析，图5为试样结合界面的线扫描结果，图中左边为合金层，右边为基体。从该图可以看出，在母液的热作用下，预涂合金层与基体已经形成冶金结合，且合金颗粒已经过重熔结晶过程，形成了鱼骨状及块状物质。位于右侧的为基体形貌，由于基体为ZG230-450，所以属于亚共析钢(0.28%﹤WC﹤0.77%)。根据亚共析钢的冷却曲线和平衡结晶过程图可知，其室温组织为F+P，其中白色块状为铁素体，片层状的是珠光体。

从图5可以发现，在合金层内有两种特征明显的物质，一种颜色偏白，形状为鱼骨状；另一种为颜色较暗的块状物质。为进一步分析每种物质的具体成分，我们对其做了点扫描，其结果如图6a、图6b所示。鱼骨状物质的成分为w_c=2.98%、W_cr＝6.47%、W_Fe＝43.29%、w_W＝45.10%，该物质是其中的W元素与C元素发生反应生成的M6C型钨碳化物。颜色较暗的块状物质的成分为W_c=2.57%、W_cr=9.84%、W_Fe＝77.27%、w_W＝8.01%。由于有以上两种物质的存在，因此外层的硬度明显高于基体的硬度。

三、结语

(1)铸渗试样的硬度沿渗层表面到基体方向先升高再降低，最后达到基体硬度；从渗层到基体没有硬度突变，说明渗层与基体之间存在过渡区。

(2)通过不同成分的铸渗层之间的比较，得出含10%WC的铸渗层的综合性能最好。

(3)在铸造过程中合金元素向基体扩散，铸渗层与基体结合良好，属于冶金结合。

(4)铸渗层组织为含碳化合物(Cr，Fe)₇C、M₆C型钨碳化物、共晶奥氏体和少量珠光体。

(5)以ZG230-450为基体的活塞环经铸渗后，在其表面能获得高硬度的硬质表层。