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本文作者：賀小剛盧德宏陳世敏蔣業華作者單位：昆明理工大學材料科學與工程學院

鑄態組織分析

圖2a是Al2O3p／40Cr復合材料的宏觀形貌照片，在8MPa的壓力下復合層的厚度為5～6mm，無鑄造缺陷。圖2b是MMCs基材的金相照片，主要組織是少量的鐵素體和珠光體，組織致密、晶粒細小，無任何縮孔、縮松。圖2c是MMCs的宏觀界面金相照片，可以看出宏觀界面結合良好、過渡自然、基材連續性好，無任何裂紋。避免了粉末冶金、無壓浸滲、原位反應制備時所產生的浸滲厚度小、縮孔、縮松等缺陷。從圖2d和圖2e來看，陶瓷Al2O3顆粒比較均勻地分布于基體中，顆粒呈不規則多邊形，鋼液全部充滿陶瓷孔隙，沒發現任何的顯微孔洞、裂縫和其他鑄造缺陷，從而表明擠壓鑄造復合材料的組織結構非常致密；Al2O3顆粒與40Cr基體之間的微觀界面結合也非常緊密，幾乎觀察不到化學反應物，這主要是因為在壓力的作用下鋼液與增強體在高溫下接觸時間短，以及Al2O3本身所具有的耐腐蝕、抗氧化等特點。這表明機械結合良好。

熱處理態組織分析

對Al2O3p／40Cr基復合材料進行了熱處理，因為金屬基復合材料使用在強烈磨損的工況下，基體需滿足一定的硬度要求，一方面提高對硬質顆粒的支撐能力，另一方面也提高自身的硬度和抗磨能力。圖3為熱處理后基材和復合材料層的金相照片。從圖3a和圖3b中可以觀察到，基體的組織均已完全淬透且為馬氏體。在復合層中微觀界面處也沒有新的物質析出，這說明在熱處理過程中，復合層中并未發生任何的界面反應，為機械結合。從圖3c中可以看出，宏觀界面處的組織呈連續變化，過渡自然。

鑄態與熱處理態宏觀硬度的對比

圖4是Al2O3／40Cr基復合材料在鑄態與熱處理態下沿厚度方向宏觀硬度的變化曲線。從曲線可以發現，材料熱處理態時的硬度明顯比鑄態的硬度高，基材的硬度增加明顯，然而復合層的的硬度只有稍微的升高，在宏觀界面處有一個緩慢的變化過程。鑄態時通過混合定律的計算復合層的硬度應該為基材的4倍，然而實測復合層的硬度卻為基材的1．5倍。另外，復合層的硬度比基材的高，主要原因與陶瓷顆粒Al2O3的本身特性和它在基體中的強化機制有關。陶瓷Al2O3具有高的比模量、比剛度，高強度，以及耐磨損、抗氧化、耐腐蝕等優良性能，它與基體相結合使復合層的硬度提高［11］。Al2O3的加入，使復合層產生了眾多的微觀界面，這些界面將阻礙材料中位錯的運動，使位錯產生塞積，從而使變形抗力增加，其宏觀上表現為硬度值提高。熱處理態時通過混合定律的計算復合層的硬度應該為基材的2倍，然而實際測得復合層的硬度比基材的硬度低約11．3％。

基材與復合材料層摩擦磨損性能的對比

40Cr基材試樣磨損前后質量差為11．73mg，復合層試樣磨損前后質量差為0．93mg，根據式（3）計算得復合材料的相對耐磨性為8．7。因此復合材料的耐磨性為40Cr基材的8．7倍，從而表明Al2O3／40Cr基復合材料具有優越的耐磨性能。然而由圖4看出，在熱處理態時復合層的硬度并沒有基材的硬度高，但是耐磨性卻相反，從而說明硬度并不是衡量復合材料耐磨性的唯一指標。圖5為40Cr基材磨損表面形貌。圖6為復合材料磨損表面形貌。從圖5中可以觀察到磨損表面光滑，在局部存在一定的疲勞撕裂現象。這是因為40Cr基材的微凸體在300N的試驗壓力和剪切力作用下發生了大塑性變形，然后在摩擦磨損的過程中逐漸趨于光滑。同時，局部也發生了一定的氧化，經粘著和疲勞磨損，最后導致一些微凸體發生了撕裂和脫落。圖540Cr基材磨損表面形貌SEM照片圖6復合層磨損表面形貌SEM照片從圖6中可以看出，陶瓷Al2O3顆粒從基體中凸出，但它仍與基體有很好的結合，沒有脫落。這是因為試樣表面經過一個磨合期后，由于顆粒與40Cr基體硬度上的差異，在磨損的過程中Al2O3顆粒比基體耐磨，所以逐漸高出基體表面。在基體表面上可見一條條相互平行的小溝漕，沒有疲勞撕裂現象。這表明，由于Al2O3顆粒凸出于基體表面，承受了來自對偶表面的主要載荷與磨損，保護了基體，所以基體的塑性變形和疲勞撕裂被抑制，從而主要呈現輕微的磨料磨損，所以復合材料的耐磨性比40Cr基材的耐磨性提高。

結論

（1）在擠壓鑄造模具內表面制備較厚的陶瓷保溫涂層，在8MPa的比壓下，成功制備了6mm厚，Al2O3體積分數為56％的Al2O3／40Cr基復合材料。（2）所制備的Al2O3／40Cr復合材料組織致密、晶粒細??；基材和復合材料層（宏觀界面）過渡自然、連續性好，顆粒和基體的微觀界面結合緊密。（3）在鑄態下復合材料的硬度比基材的硬度高出約50％；但在熱處理態下，復合材料的硬度反而比基材的硬度低11．3％。（4）在常溫干摩擦條件下，復合材料的耐磨性為40Cr基材的8．7倍，表明擠壓鑄造制備的Al2O3p／40Cr基復合材料具有優異的耐磨性能。