Fe-3%Si合金渗碳层中SiO2形成及性能

　　磨损是机械零件时效的主要形式之一，造成大量的能源和原材料消耗。据调查，2006年中国因摩擦磨损造成的损失占当年GDP的4.5%[1]。研究和和发展新一代耐磨材料，深入开展磨损机理的研究，提高工件表面耐磨性，降低磨损损失，对于国民经济建设的发展具有重要的意义[2]。

　　铁作为最常用的金属材料，具有良好的塑性。在以铁为基的材料中加入高刚度、高强度的增强体颗粒，可大幅提高材料的强度、硬度、耐磨性以及高温性能，广泛用于制造刀具和耐磨零件[3-4]。现有的颗粒增强铁基材料都是采用整体复合方法制备，如采用粉末冶金法[5]、反应熔铸法[7]、金属液浸渗法[8]等，材料整体耐磨性提高同时存在降低韧性的可能，而且整体复合材料难以回收与再利用，造成二次浪费。大量研究表明，耐磨材料需要同时具备高硬度和高韧性才能真正起到抗磨损的作用。此外零部件产生的磨损往往发生在某些特定的表面，通过在具有良好韧性的基材表面生成一层高硬度的耐磨层，形成兼具表面耐磨性和基体韧性的金属基表面复合材料，即可解决上述问题，也是耐磨材料发展的新方向之一[1]。

　　铁基合金表面渗碳处理是提高表面硬度，改善耐磨性最常用的方法。其中设计开发铁基二元合金后对其进行表面渗碳处理可以显著提高表面硬度和耐磨性。王殿梁等开发的Fe-V二元合金，经渗碳处理后表面硬度超过HV1000，硬化层厚度在1000μm以上，具有极高的耐磨性，远超过传统的耐磨材料[9-10]。铁基二元合金组元简单，再生循环过程中容易分选，性能易于控制，符合当前材料设计环保化要求。本研究设计了一种含3%Si的铁硅二元合金，经表面渗碳处理后，分析了渗碳层组织形成机理及其硬度和耐磨性的影响。

　　1 实验材料及方法

　　以工业纯铁和工业纯硅为原料，在真空感应炉中熔炼Fe-3%Si(质量分数)合金。采用固体粉末渗碳法在井式炉内进行渗碳处理，温度为930℃，保温8 h后取出快速水淬，在180℃进行回火处理。在NEOPHOT21金相显微镜和LEO-1450扫描电镜(SEM)上观察渗碳层组织。利用D/MAX-RB型X射线衍射仪(XRD)分析渗碳层中相组成，扫描速率为9°/min。在JXA-8100电子探针显微分析仪(EPMA)上进行渗碳层微区成分分析。

　　采用XHB-3000硬度计测定渗碳层表面硬度，渗碳层截面显微硬度测定在Leica VMHT 30M显微硬度计上进行。干摩擦条件下的平面滑动摩擦磨损试验在ML-10磨料磨损试验机上完成，试样为Φ6.0mm×20mm的销形试样。磨料选用240号砂纸，磨盘的转速为60r/min，试样的径向进给量为4mm/s，起始半径为26mm，终止半径为106mm，磨损行程为16.3m，静载荷为3.5kg. 采用铸态高铬铸铁为参比试样，其名义成份如表1。