【摘 要】
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ZTA（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）/高铬铸铁复合材料作为大型工况设备中立式磨机、反击式破碎机的磨辊、板锤等耐磨件被广泛应用。由于陶瓷相和金属相的理化性能差异过大,二者润湿性特别差,因此复合材料的界面结合强度非常弱,在外力作用下,界面处极易产生裂纹而发生断裂失效。故本文通过向Al2O3及ZrO2陶瓷粉体中掺杂合金元素Ti、Ni,来改善高温下固/液界面的润湿性、结合强度与元素扩散效果,为ZTA陶瓷/高铬铸
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ZTA（氧化锆增韧氧化铝陶瓷）/高铬铸铁复合材料作为大型工况设备中立式磨机、反击式破碎机的磨辊、板锤等耐磨件被广泛应用。由于陶瓷相和金属相的理化性能差异过大,二者润湿性特别差,因此复合材料的界面结合强度非常弱,在外力作用下,界面处极易产生裂纹而发生断裂失效。故本文通过向Al2O3及ZrO2陶瓷粉体中掺杂合金元素Ti、Ni,来改善高温下固/液界面的润湿性、结合强度与元素扩散效果,为ZTA陶瓷/高铬铸铁复合材料的实际生产提供理论和实验基础。本文对高铬铸铁中基体金属Fe与合金元素Ti、Ni以及Fe-Ti、Fe-Ni固溶体的各晶体结构、晶面结构分别进行了优化,并计算其不同晶面的表面能,为合金元素的选择提供理论依据。以Al2O3粉末、3Y-ZrO2粉末与合金元素为原料,利用粉末冶金工艺制备ZTA-Ti/Ni复合陶瓷基片,通过高温座滴法研究了不同因素对高铬铸铁在各复合ZTA陶瓷基片上的润湿性效果,主要结论如下:1.Fe、Ti、Ni三种金属晶体的最稳定晶面表面能依次按Ti（0001）、Ni（111）、Fe（100）升高,利用低表面能的合金元素Ti、Ni能够与Fe形成Fe-Ti、Fe-Ni固溶体,来改善铸铁与陶瓷的润湿性。2.真空热压烧结工艺制备的各ZTA基片的致密度均在99%以上,氧化铝和氧化锆高温下会形成置换固溶体。Ti与Al2O3高温下生成TiO2和TiAl及少量的Ti3Al,基片硬度有所提升;Ni与ZTA基体中的各成分未发生化学反应,基片硬度有所下降。3.纯ZTA与高铬铸铁之间完全不润湿,合金元素的加入使二者的润湿效果有了明显改善,且Ti对其的润湿性贡献大于Ni。当Ti与Ni含量分别为15wt.%ZTA与10 wt.%ZTA时,ZTA陶瓷/高铬铸铁的润湿效果最好。同时铁液在陶瓷表面的扩散深度与接触角呈现出较显著的线性关系,接触角越小,扩散深度越大。剪切实验后,在陶瓷基片表面留下三个同心环形的溶蚀坑,溶蚀坑中心为Fe-Al-Ti/Ni三相共生区,此处高铬铸铁的扩散深度最大,剪切断裂也发生在此处。4.在润湿体系中,接触角随基片表面粗糙度的增加而减小;接触角随保温时间延长先大幅下降再保持恒定,且保温时间对接触角的影响大于基片表面粗糙度。在非润湿体系中,接触角随基片表面粗糙度的增加呈上升趋势,而保温时间对接触角基本无影响。5.ZTA-Ti/高铬铸铁的界面硬度随Ti含量增多而增大,剪切强度随之先增大后降低;ZTA-Ni/高铬铸铁的界面硬度与剪切强度都随Ni含量增多而增大。
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