1、低碳钢/高铬铸铁双金属材料组织及性能研究汪沙1，王铁君1，李传博1，宋大拙2，石林2，孙利星2(1.比亚迪汽车弗迪科技制动器工厂，陕西 西安 710100；2.西安理工大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710048)摘要：本实验通过真空熔渗扩散连接的方法，在不同结合温度下制备了高铬铸铁/低碳钢双金属材料，对其组织形貌进行观察，并对界面剪切强度及显微硬度进行测试。实验结果表明，在1 010、1 030、1 050 下连接的界面组织形貌明显不同，在1 030 的结合温度下剪切强度为320 MPa；在1 010 及1 050 下剪切强度分别为298 MPa和318 MPa。在1 010 结合温度
2、下CuCr中间层厚度达到90 m，表明温度过低各元素扩散速率缓慢；1 050 时CuCr中间层软化明显，最终形成的扩散层较窄且存在金属间化合物和显微孔洞，降低了双金属界面结合强度。关键词：扩散连接；低碳钢；高铬铸铁；显微组织；强度中图分类号：TG143文献标识码：A文章编号：1000-8365(2023)03-0252-05Research on the Microstructure and Properties of Mild Steel/HighChromium Iron Bimetal MaterialsWANG Sha1,WANG Tiejun1,LI Chuanbo1,SONG Da
3、zhuo2,SHI Lin2,SUN Lixing2(1.BYD Fodi Technology Brake Factory,Xian 710100,China;2.School of Materials Science and Engineering,XianUniversity of Technology,Xian 710048,China)Abstract：In this work,high chromium iron/mild steel bimetallic materials with different bonding temperatures wereprepared usin
4、g the method of vacuum melt infiltration diffusion bonding.The microstructure of the bimetallic materials wasobserved.Simultaneously,the interface shear strength and microhardness of the bimetallic materials were tested.The resultsshow that the microstructures of the interface of the bimetallic mate
5、rials aresignificantly different at 1 010,1 030 and1 050.The interface shear strength of the bimetallic materials is 320 MPa at 1 030,298 MPa at 1 010 and318 MPa at 1 050.The thickness of the CuCr interlayer reaches 90 m at 1 010,indicating that the diffusion rate ofelements is slow at low temperatu
6、re.At 1 050,the CuCr interlayer softens obviously,and the diffusion layer is narrowwith intermetallic compounds and microscopic pores,which reduces the interface shear strength of bimetallic materials.Key words：diffusion bonding;mild steel;high-chromium iron;microstructure;strength收稿日期:2022-09-20基金项
7、目:国家自然科学基金(52104385)作者简介:汪沙，1980年生，学士，工程师.主要从事金属材料成型、材料加工等方面的工作.电话：18682932580,Email:引用格式:汪沙，王铁君，李传博，等.低碳钢/高铬铸铁双金属材料组织及性能研究J.铸造技术，2023,44(3):252-256.WANGS,WANGTJ,LICB,et al.Research on themicrostructureand properties of mild steel/high chromium iron bimetal materialsJ.FoundryTechnology,2023,44(3):25
8、2-256.高铬铸铁兼具极佳的耐磨减磨性能，良好的耐高温和耐腐蚀性能，被广泛应用于汽车工业、军工等领域1。低碳钢具有较高的强度，塑韧性较好且具有优良的加工性能，常作为重型机械的结构件被广泛使用2。生产中常将高铬铸铁与低碳钢进行复合，以此来充分发挥高铬铸铁和低碳钢各自的优异性能，比如新型汽车常利用高铬铸铁与低碳钢复合材料来制作刹车盘等需兼具耐摩擦磨损性能、高强度和高塑韧性的零部件3，张国赏等4利用离心铸造的方法制备了高性能的碳钢/高铬铸铁双金属复合材料。由于2种材料的线膨胀系数、化学活性等有很大差异，制备的高铬铸铁/低碳钢双金属在复合界面两侧容易形成较大应力，在长时服役过程中经常出现剥离现象5-
9、6。传统高铬铸铁/低碳钢双金属的制备方法主要有熔铸法、爆炸焊法、搅拌摩擦焊法等7，熔铸法成本高昂、污染严重，且熔铸后的高铬铸铁烧损率得不到控制，严重影响材料的耐摩擦磨损性能，而无论是爆炸焊法还是搅拌摩擦焊法也都存在诸如环保、安全等方面的问题，且制备的双金属材料界面仅实现了机械咬合8-10。为此，本研究提出一种添加中间合金真空熔渗扩散连接的方法，实现高铬铸铁/低碳钢双金属材料的“固固”复合，为高性能的高铬DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2023.2286铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGYVol.44 No.03Mar.2023252 铸铁/低碳钢复合材料的制备
10、提供理论支撑与实验参考。1实验材料及方法本研究选用某自研高铬铸铁和低碳钢为原材料，通过感应熔炼制备了CuCr合金并轧制成厚度为100 m的箔材作为中间层材料，具体成分如表1所示。选取厚度分别为15mm和10mm，尺寸为500mm500 mm1的高铬铸铁和低碳钢方形板材。在自研真空热压炉中，采用添加中间合金真空熔渗扩散连接的方法，制备了高铬铸铁/低碳钢复合材料，具体制备过程如图1所示，将高铬铸铁和低碳钢的表面打磨，随后浸泡在10%(体积分数)的硝酸酒精溶液中酸洗，3种材料分别用酒精清洗并吹干后按照图1所示依次叠放整齐放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中，在1010、1030、1050
11、下保温50min，保温过程中施加5MPa的压力，待高铬铸铁和低碳钢与CuCr中间层合金充分熔渗扩散完成后，停止加热并施加3MPa压力，随炉冷却后得到高铬铸铁/低碳钢双金属材料。在将试样按照常规方法磨抛后，配置HNO3酒 精体积比为1.03.5的腐蚀液进行腐蚀，利用JSM-6700F型场发射扫描电镜(SEM)对合金组织形貌进行观察。剪切实验在SANS-CMT5205微机控制电子万能试验机上进行，调整横梁位移速率为2.5 mm/min，加载至试样断裂，为保证数据的准确性，共测试3个试样。2实验结果及分析2.1高铬铸铁/低碳钢双金属界面组织形貌图2(ac)分别显示了高铬铸铁/低碳钢双金属在1 010
12、、1 030、1 050 连接温度下的界面组织形貌，图2(d)为1 030 下的界面EDS线扫描结果。从图2(a)可知，CuCr中间层的厚度大于其余温度，证明这一温度下CuCr中间层的元素向两端发生了短距离的扩散，图2(c)相较于图2(b)可以看出，在高铬铸铁/低碳钢界面处出现大量金属间化合物。通过测量1 010 结合温度下中间层厚度约为90m，1 030 时约为42 m，1 050 时约为30 m，由此可知，随着温度升高，CuCr中间层软化程度不断增加，1 050 下的CuCr中间层已经完全液化，较大的过热度使得在这一温度下的复合界面出现金属间化合物。此外，不同温度下制备的双金属在低碳钢/C
13、uCr界面、CuCr/高铬铸铁界面均出现大片的固溶体，1 030 时这一现象更加明显。观察图2(d)可知，Fe元素在整个扩散界面上分布均匀，表明铁元素发生了远距离的扩散，而Cu元素仅发生了40 m的迁移，其中在高铬铸铁/CuCr以及CuCr/低碳钢界面上Cu元素的含量出现峰值，这是由于Fe原子大量固溶进入Cu晶胞当中，生成Fe/Cu固溶体。EDS点扫描结果表明，这些固溶体是由C、Fe、Cr、Cu元素形成的，如表2所示。即高铬铸铁和低碳钢侧的元素通过整个CuCr中间层发生扩散，导致C、Fe、Cr、Cu元素在CuCr中间层处发生反应并形成固溶体，最终在CuCr中间层处发生冶金结合11。表2图2（c
14、）中A点和B点元素含量w%Tab.2 Element content at point A and point B in Fig.2(c)位置元素CFeCrCuA3.5282.826.666.99B4.2283.527.664.60图1高铬铸铁/低碳钢复合材料制备：(a)高铬铸铁/低碳钢熔渗扩散连接示意图，(b)剪切实验示意图Fig.1 Preparation of high chromium iron/mild steel composite:(a)high chromium iron/mild steel penetration diffusion connectiondiagram;(b
15、)schematic diagram of shear experiment表1材料化学成分w/%Tab.1 Chemical composition of materials材料CSiMnNiCuMoCrFe高铬铸铁2.01.52.52.51.21.517.5Bal.低碳钢0.20.50.5-2.0Bal.CuCr-93.0-7.0-铸造技术03/2023汪沙，等：低碳钢/高铬铸铁双金属材料组织及性能研究253 2.2高铬铸铁/低碳钢双金属界面剪切实验图3为高铬铸铁/低碳钢双金属在不同结合温度下的剪切实验应力-应变曲线。从图3可以看出，高铬铸铁/低碳钢双金属在1 030 的结合温度下表现出最
16、高的剪切强度，强度为320 MPa。在1 010 以及1 050 的结合温度下最高剪切强度分别为298 MPa和318 MPa。观察图2(a)在结合温度为1 010 下的双金属界面SEM图像发现，高铬铸铁/CuCr界面一侧出现显微孔洞，且复合后的CuCr中间层宽度远大于其余温度下的宽度，说明在这一温度下CuCr中间层与两侧的复合特征呈现为固固复合，扩散速率较慢，因此CuCr中间层被完整的保留了下来，导致界面结合强度较低12。观察图2(c)高铬铸铁/低碳钢双金属在1 050 连接后的界面形貌发现，无论是在高铬铸铁/CuCr界面还是CuCr/低碳钢界面上均分布着大量硬脆金属间化合物，导致界面处塑性差，强度较低。对比图2(b)可知，高铬铸铁/低碳钢双金属在1 030 的结合温度下界面组织为以C、Fe、Cr、Cu为主要元素组成的固溶体，且界面无明显微观缺陷，因此双金属界面强度较高，达到了较好的连接效果13。为了进一步确定在1 030 结合温度下双金属界面处形成的化合物种类，研究了双金属材料在1 030 结合温度下的显微硬度。显微硬度相比普通硬度测量方法，优势在于可度量材料中各个相或金属表面极薄
