文章编号：1004-0609(2007)08-1313-06

Si对新型Fe₃Al基?石墨合金组织和力学性能的影响

汪才良，朱定一，卢  铃

(福州大学 材料科学与工程学院，福州 350002)

摘  要：采用熔炼法制备出新型Fe₃Al基?石墨固体自润滑材料，研究Si含量对Fe₃Al基?石墨固体自润滑材料的显微组织、力学性能以及干摩擦磨损性能的影响。结果表明：Si可以促进C原子在Fe-Al-C液态合金中熔入及凝固过程中的石墨化，对Fe₃Al基体有固溶强化作用。随着Si含量增加，C原子的石墨化作用增强，合金的硬度逐渐降低，抗弯强度逐渐增大；但Si合金超过3.5%(质量分数)时，由于Si在Fe₃Al基体中的过多固溶，三点弯曲强度明显降低。研究表明，Fe₃Al基?石墨合金具有高的耐磨性能和良好的润滑性能，摩擦因数随着合金中石墨面密度的增大而降低，磨损率随Si含量的增加而减小，其中Si含量为3.5%的合金经过900 ℃、15 h退火处理后，综合力学性能好，其磨损率仅为QT?500球墨铸铁的1/20。

关键词：Fe₃Al基?石墨合金；固体自润滑材料；熔炼法；石墨化；摩擦磨损

中图分类号：TG 115　　     文献标识码：A

Effect of Si on structure and mechanical properties of Fe₃Al?graphite solid self-lubricating material

WANG Cai-liang, ZHU Ding-yi, LU Ling

(School of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

Abstract: Fe₃Al?graphite solid self-lubricating materials were prepared by melting method. The effects of Si content on the microscopic structure, mechanical and dry friction properties were investigated. The results show that Si element has an effect on facilitating carbon atoms to solute in Fe-Al-C liquid alloy and to graphitize in the process of solidification, which can solution strengthen the alloy matrix. With increasing Si content, the hardness decreases and the bend strength increases because the the strengthening effect of graphitization. When Si content exceeds 3.5%(mass fraction), the bend strength deduces dramatically because the solution of Si element in Fe₃Al matrix is too much. The results also show that Fe₃Al?graphite alloy has good wear-resisting and lubricating properties. The coefficient of dry friction decreases with increasing area density of graphite, and the wear rate reduces with increasing Si content. Fe₃Al?graphite solid self-lubricating material with 3.5% Si after annealing at 900 ℃ for 15 h has good mechanical properties, and the wear rate is just as 1/20 as that the of spheroidal graphite iron.

Key words: Fe₃Al?graphite alloy; solid self-lubricating material; melting; graphitization; friction and wear

金属间化合物Fe₃Al是一种在高温、磨损、腐蚀等环境中具有重要应用潜力的新材料^[1?3]， 因不含Cr、Ni等稀贵合金元素，在金属间化合物中成本最低，应用前景十分广阔^[4?5]。长期以来，对Fe₃Al的研究主要集中在如何提高其室温韧性和加工性能等方面^[6?7]，目前在高温抗氧化、高温耐磨方面的应用已取得了较大进展^[8?9]。

Fe₃Al作为一种耐磨自润滑材料的研究尚未见报道。朱定一等^[10?13]将石墨这种固体润滑剂通过熔炼法加入到Ni-Al基合金中，制备出新型抗高温耐腐蚀的Ni₃Al基?石墨固体自润滑材料，本文作者在前期研究的基础上， 探讨将石墨这种固体润滑剂通过熔炼法加入到Fe₃Al基合金中，制备一种新型低成本的Fe₃Al基?石墨固体自润滑材料。然而最初的研究表明，当Fe-Al-C合金中不加其它元素时，凝固组织类似白口铸铁，一方面在凝固时，石墨从液态金属中大量析出并漂浮到铸锭表面，使铸锭内部产生严重的疏松组织，凝固组织中的石墨量很少；另一方面，存留在合金中的C原子与Fe、Al形成碳化物，造成铸锭极大的脆性。陈金栌等^[14]的研究也表明，在Ni₃Al基?石墨合金中，加入组元Al将对C原子产生一定的排斥作用， C原子难以在Ni-Al系液相中大量溶入。考虑到铸铁中Si是一种强烈促进石墨化的元素，本文作者研究加入Si对改善Fe₃Al基?石墨固体自润滑材料的组织及性能的作用，同时在合金中添加稀土元素Ce对石墨进行了球化处理。

1  实验

1.1  实验原料

采用工业生铁(1.2%Si，4.1%C，余为Fe，质量分数)为基本原料，将纯度为99%的工业纯铝、含Si为75%的硅铁(余为Fe)、纯度为99.5%的石墨粉、纯度为98%的金属Ce，按质量分数(%)配制Fe₃Al-4.0%C-x％Si-0.5%Ce合金，其中Si的含量x分别为1.5、2.5、3.5和4.5。从轴承支座上线切割出牌号为QT?500的球墨铸铁，用作测试摩擦磨损性能的对比试样。

1.2  材料制备及性能测试

合金焙炼采用空气中感应熔炼方式，熔炼炉的型号为SP-30B，功率为30 kW，加热熔炼坩埚用纯石墨坩埚。先将配好的石墨粉、硅铁放于熔炼坩埚的底部，生铁置于其上，待加热熔化后再加入纯铝块；在1 700 ℃保温8 min左右，合金熔化充分后，再加入0.5%的金属Ce，反应1 min左右，滤渣，然后浇注到石墨铸型中，铸型尺寸为120 mm×60 mm×20 mm。为防止铸锭冷却到室温可能产生的热裂现象，待铸锭冷却到750 ℃左右时，将铸锭放入到900 ℃的箱式炉中进行退火处理15 h，然后冷却至室温。线切割出所需试样，采用日本理学D/max?ⅢC X射线衍射仪对合金组织进行物相标定，用XJL?03金相显微镜分析其显微组织，试样采用4%硝酸酒精溶液腐蚀；在XQF?4A型图像分析仪上对不同Si含量的合金的石墨面密度进行定量测定；采用HR?150A型洛氏硬度计及HX?1000型显微硬度仪分别测定合金的硬度值，对测试的物相分别测5个点取平均值；在MM?200型环?块摩擦磨损实验机上做干滑动摩擦磨损实验，实验块尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，对偶环为GCr15轴承钢(HRC62)，尺寸为d 50 mm×d 16 mm×d 10 mm，主轴转速为400 r/min，法向载荷为49 N。三点弯曲试样为无缺口标准试样，尺寸为60 mm×10 mm×6 mm，两端支点间距为40 mm，每种成分的合金测3个试样，取平均值。

2  结果与讨论

2.1  退火态组织

图1(a)~(d)所示分别为Fe₃Al-4.0%C-1.5%Si- 0.5%Ce、Fe₃Al-4.0%C-2.5%Si-0.5%Ce、Fe₃Al-4.0%C- 3.5%Si-0.5%Ce、Fe₃Al-4.0%C-4.5%Si-0.5%Ce四种合金在900 ℃退火15 h后的组织。图2(a)、(b)所示分别为Fe₃Al-4.0%C-1.5%Si-0.5%Ce、Fe₃Al-4.0%C-2.5%Si- 0.5%Ce两种合金在900 ℃退火15 h后的X射线衍射谱。

图1  不同Si含量的Fe₃Al基?石墨合金经900 ℃、15 h退火处理后的显微组织

Fig.1  Microstructures of alloys with different Si contents after annealing at 900 ℃ for 15 h: (a) Fe₃Al-1.5%Si-0.5%Ce-4.0%C; (b) Fe₃Al-2.5%Si- 0.5%Ce-4.0%C; (c) Fe₃Al-3.5%Si-0.5%Ce-4.0%C; (d) Fe₃Al-4.5%Si-0.5%Ce-4.0%C

图2  不同Si含量的Fe₃Al基?石墨合金经900 ℃、15 h退火处理后的X射线衍射谱

Fig.2  XRD patterns of alloys with different Si contents after annealing at 900 ℃ for 15 h: (a) Fe₃Al-1.5%Si-0.5%Ce-4.0%C; (b) Fe₃Al-2.5%Si-0.5%Ce- 4.0%C

实验发现，未加入合金元素Si时，在Fe-Al-C液态合金的凝固过程中，石墨会迅速被排斥在铸锭的表面，凝固后的铸锭产生严重的疏松组织；加入合金元素Si后，这种现象得以消除，表明Si的加入能够显著增大C原子在Fe-Al-C液态合金中的溶入量。从图1所示各种成分的退火态组织可以看出，随着Si的加入，组织均变得致密，消除了孔洞和疏松缺陷，但Si的加入量不同，各合金退火态组织存在着一定的差异。从图1(a)可以看到，当Si含量为1.5%时，石墨含量较少，退火组织中除石墨相外，还生成了大量呈不规则状的白色第二相。通过显微硬度计测定该白色第二相的平均硬度值为738 HV，属于硬度很高的碳化物，进一步经X射线衍射分析为Fe₃AlC_0.5碳化物(图2(a))。这表明当加入的Si较少时，Fe-Al-C液态合金中溶解的C原子在凝固过程中不能充分石墨化，部分C原子与Fe原子、Al原子结合生成了碳化物。图3所示为不同Si含量的Fe₃Al基?石墨合金的石墨面密度。由图3可以看出，当Si含量从1.5%增至2.5%时，Fe₃Al基?石墨合金的石墨面密度显著增加；当Si含量继续增大时，合金的石墨面密度增速变缓，Si含量为3.5%时达到最大，石墨面密度为14.9%；当Si含量继续增大至4.5%时，合金的石墨面密度为14.6%，与Si含量为3.5%时合金的石墨面密度基本相同，表明加入3.5%的Si能够充分促进Fe₃Al基 ? 石墨合金在凝固过程中的石墨化。当Si含量由2.5%增至4.5%时，X射线衍射分析结果表明，合金退火组织由石墨和Fe₃Al基体组成；在退火组织中，除较粗大的初生石墨相外，还形成了细片状和小球状石墨(图1(b)~(d))。分析认为，这些细小的石墨是在共晶转变时形成的，有些是少量碳化物在退火过程中分解形成的。Si含量为2.5%的合金退火时析出的石墨量较多，表明增加Si含量能够促进Fe₃Al基?石墨合金中的碳化物相在退火过程中分解。当Si含量较少时，碳化物相中C原子扩散能力较差，在退火过程中很难分解形成石墨。X射线衍射分析结果表明，当Si含量增大至2.5%时，该合金的退火态组织基体为单相的Fe₃Al，合金组织中的碳化物相在退火过程中已完全分解(图2(b))。

图3  不同Si含量与石墨面密度之间的关系

Fig.3  Relationship between Si content and area density of graphite

2.2  力学性能

图4所示为Si含量与合金整体表面的洛氏硬度的关系。实验发现，同种合金的不同测定点处的硬度值波动较小。由图4可以看到，Fe₃Al基?石墨合金具有相对较高的硬度，洛氏硬度值均超过HRC50；随着Si含量增大，合金整体的洛氏硬度值逐渐降低，Si含量增至3.5%时，合金的洛氏硬度值最低，为HRC50.4；Si含量继续增大到4.5%时，合金的硬度开始升高。分析认为，Si含量为1.5%的合金的退火组织中含有大量的碳化物相，其硬度较高；当Si含量从1.5%增至3.5%时，C原子的石墨化愈加充分，碳化物量不断减少，固溶于Fe₃Al晶格间隙中的C原子量也减少，C原子对基体的间隙固溶强化作用降低；当Si 含量达到3.5%时，C原子能够充分石墨化，故其硬度值最小；当Si含量继续增大至4.5%时，Si对基体的固溶强化作用不断增大，使得合金的洛氏硬度值有所升高。

图4  Si含量与合金整体洛氏硬度的关系

Fig.4  Relationship between Si content and hardness

图5所示为Si含量与合金的抗弯强度的关系。可以看到，随着Si含量增加，Fe₃Al基?石墨合金的抗弯强度逐渐增大；Si含量为1.5%时，由于合金组织中碳化物相Fe₃AlC_0.5在退火后未能完全分解，残余的碳化物密集分布在合金基体中，使基体的脆性增大，抗弯强度最低；随着Si含量增多，碳原子的石墨化更充分，碳化物相减少，固溶于Fe₃Al基体晶格间隙中的C原子量也减少，Fe₃Al基体的韧性得以恢复，抗弯强度逐渐增加；Si含量为3.5%时合金的抗弯强度值最高，达到849.9MPa   ；Si含量增至4.5%时，过量的Si固溶于Fe₃Al基体中，使得合金基体晶格畸变严重，缺陷数量增加，并且过量Si的固溶对Fe₃Al的共价键特性具有增强作用，将增大Fe₃Al基体的本征脆性，导致抗弯强度明显降低。

图5  Si含量与合金抗弯强度的关系

Fig.5  Relationship between Si content and bend strength

2.3  摩擦性能

图6所示为QT?500球墨铸铁、Fe₃Al-1.5%Si- 0.5%Ce-4.0%C、Fe₃Al-2.5%Si-0.5%Ce- 4.0%C、Fe₃Al- 3.5%Si-0.5%Ce-4.0%C、Fe₃Al-4.5%Si-0.5%Ce-4.0%C五种合金在相同实验条件下与GCr15轴承钢之间的干摩擦磨损曲线。可以看出，Si含量为3.5%的合金具有相对较小的摩擦因数，这与该合金中具有较高的石墨面密度相对应(图3)。自润滑材料的摩擦因数主要取决于摩擦过程中润滑膜的形成和破碎过程，石墨面密度越高，越容易在摩擦接触表面上形成均匀覆盖的润滑膜。在摩擦过程中，当先形成的润滑膜破碎后，高石墨面密度的合金更易形成新的润滑膜，保证了在整个摩擦过程中润滑膜的修复和减摩作用的连续性。QT?500球墨铸铁的摩擦因数最高，这是由于其基体的硬度不如Fe₃Al基合金高，在摩擦过程中，其表面易发生变形、嵌入、撕裂，产生相对较严重的粘着磨损，使摩擦因数增大。由图6可以计算出，Si含量为3.5%的合金的干摩擦因数比QT-500球墨铸铁的摩擦因数降低了45%。

图6  不同Si含量合金的干摩擦因数与摩擦时间的关系

Fig.6  Relationships between friction coefficient and fraction time for alloys with different Si contents

图7所示为不同Si含量的合金在相同实验条件下的磨损率。可以看到，Si含量增至3.5％时，合金的磨损率最小，为2.6×10^?15 m³/(N?m)。自润滑材料的磨损率主要取决于两个方面：合金基体的耐磨性和摩擦过程中润滑膜的减摩作用。由图4可以看出，不同Si含量的Fe₃Al基?石墨合金的硬度值变化并不大，而且都具有较高的硬度，耐磨性较好，在这种情况下，磨损率则主要取决于润滑膜的连续性和减摩作用的有效性。Si含量为3.5%的合金石墨面密度大，摩擦因数小，石墨润滑膜减摩作用好，合金的磨损率最小。经在同样实验条件下测定，QT?500球墨铸铁的磨损率为5.2×10^?14 m³/(N?m)，是Si含量为3.5%的Fe₃Al基?石墨合金磨损率的20倍，这表明Fe₃Al-3.5%Si-0.5%Ce- 4.0%C合金经900 ℃退火15 h处理后，具有极高的耐磨性和较低的摩擦因数。

图7  Si含量与合金磨损率的关系

Fig.7  Relationship between wear rate and Si content

3  结论

1) 采用熔炼法并加入组元Si可以制备组织致密、石墨分布均匀的Fe₃Al基?石墨固体自润滑合金。

2) Si可以显著促进Fe-Al-C液态合金中C原子的溶入及凝固过程中C原子的石墨化，Si对退火过程中碳化物相的分解也有明显的促进作用。Si含量达到2.5%时，铸态合金中的碳化物在退火过程中能够充分分解；Si含量达到3.5%时，Fe-Al-C液态合金中的C原子能够充分石墨化。

3) Fe₃Al基?石墨合金的洛氏硬度值随着Si含量的增加逐渐减小，而抗弯强度值逐渐增大；Si含量大于3.5%时，由于Si在Fe₃Al基体中的过多固溶，合金的硬度值开始提高，抗弯强度明显降低。

4) Fe₃Al基?石墨合金的摩擦因数随着石墨面密度的增大而减小，磨损率随着Si含量的增大而降低；Si含量为3.5%的合金经过900 ℃退火15 h处理后，干摩擦因数稳定在0.3，磨损率为2.6×10^?15 m³/(N?m)，其干摩擦因数比QT?500球墨铸铁降低了45%，耐磨性提高了20倍。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(50471007)；福建省自然科学基金资助项目(E0710006)

收稿日期：2006-12-04；修订日期：2007-04-29

通讯作者：朱定一，教授；电话：0591-83768831；E-mail: zdy7081@163.com

(编辑 陈爱华)