高铬铸铁作为被广泛应用的耐磨材料,具有强度高、耐磨性好等优点。但由于高铬铸铁中Cr含量较高,组织中碳化物体积分数较大,导致了其明显的脆性特征。目前,通过堆焊、复合铸造等技术手段将韧塑性良好的普通碳钢或低合金钢与高铬铸铁相复合,获得了韧性良好的耐磨材料,但在实际应用中也存在一系列问题,例如结合力差、表面开裂等。本文通过不同工艺制备了高铬铸铁/低碳钢复合材料,提高了复合材料的结合性能,并通过合金化和热处理等手段对作为耐磨层的高铬铸铁材料进行了强化,使其耐磨性能得到了进一步的提高,获得了具有高耐磨性高韧性的复合材料。采用金相显微镜、扫描电镜、电子探针、X射线衍射仪、透射电镜等设备对材料的组织进行了分析。通过硬度、剪切强度、冲击韧性、抗拉强度等手段,对复合材料的性能进行了测试,并研究了高铬铸铁材料在合金化和热处理前后的磨粒磨损性能。主要研究结果如下:本文首先制备出具有良好结合性能的Cr16高铬铸铁/低碳钢复合材料,两组元结合紧密,在界面处没有出现孔隙、夹杂、裂纹等微观缺陷。复合材料结合强度较高,界面处的剪切强度为540MPa,在垂直于界面的方向对复合材料进行拉伸试验,样品在Cr16高铬铸铁一侧发生断裂,抗拉强度为448 MPa。Cr16高铬铸铁和低碳钢在复合材料界面处发生了 C元素的扩散,C原子由C含量较低的低碳钢一侧扩散到了 C含量较高的高铬铸铁一侧,属于明显的上坡扩散现象。由于C原子的扩散行为所致,在复合材料界面的高铬铸铁一侧形成了宽度为55 μm的扩散层。扩散层内的组织由M23C6型碳化物板条和铁素体构成,其硬度达到350 HV。Cr16高铬铸铁/低碳钢复合材料的抗弯强度和冲击韧性分别为1208 MPa和7.5 J/cm2,与Cr16高铬铸铁材料相比均有明显提高。通过对高铬铸铁材料进行成分设计,本文在Cr16高铬铸铁中添加了质量分数6%的Mo元素,获得了致密度高、耐磨性更为出色的高Mo高铬铸铁材料。与未添加Mo元素的Cr16高铬铸铁样品相比,铸态高Mo高铬铸铁显微组织出现了富Mo元素的M2C型碳化物,基体由Cr16高铬铸铁中的珠光体组织变为莱氏体组织。热处理后,淬火高Mo高铬铸铁样品的硬度随淬火温度的升高而增大,在1040℃淬火获得硬度极大值为65.1 HRC。淬火过程中高Mo高铬铸铁材料发生了马氏体相变,并有大量的M23C6型碳化物在马氏体基体中析出;M2C型碳化物在淬火处理后发生了分解,转变为M6C型碳化物和颗粒状的MC型碳化物。经过高温回火处理,高Mo高铬铸铁材料较差的韧性得到一定的改善,但材料的硬度随回火温度的升高而降低,并在600℃回火时达到极小值47.8 HRC。与Cr16高铬铸铁相比,热处理后高Mo高铬铸铁样品的耐磨性得到了极大的提高,1040℃淬火样品的磨损损失仅为Cr16高铬铸铁样品的四分之一。在回火处理之后,高Mo高铬铸铁的耐磨性进一步提高,且在500℃回火的样品耐磨性最优。将上述脆性较大的高Mo高铬铸铁与低碳钢材料进行复合,制备出具有良好韧性的高Mo高铬铸铁/低碳钢复合材料。高Mo高铬铸铁与低碳钢材料在保温时间为20min以上时能够达到较好的冶金结合,获得完整的复合界面。在复合材料的界面处C原子由C含量较低的低碳钢一侧扩散到C含量较高的高Mo高铬铸铁一侧,属于典型的上坡扩散现象。在靠近界面的高Mo高铬铸铁一侧和低碳钢一侧分别形成了一层厚度约为37 μm的扩散层和厚度约为85 μm的铁素体带。在淬火处理之后,复合材料的结合强度明显降低,并随着回火温度的升高呈下降的趋势。与高Mo高铬铸铁材料相比,复合材料样品的冲击韧性明显更好,热处理之后复合材料样品的冲击韧性明显升高,在600℃回火的复合材料样品的冲击韧性高达7.3 J/cm2。本文通过高温熔覆工艺,制备出碳化物体积分数更大的高铬铸铁/低碳钢复合材料。复合材料中高铬铸铁熔覆层的组织致密,其组织中主要存在富Cr的M7C3型和M23C6型、M3C型碳化物和富Mo的M2C型碳化物,基体由碳化物边缘的马氏体和晶粒内部的珠光体组成。随着Cr含量的增加,高铬铸铁熔覆层组织中碳化物的体积分数增大,材料的硬度和耐磨性提高。不同Cr含量的高铬铸铁熔覆层与低碳钢均形成了比较好的冶金结合,界面清晰完整。在高铬铸铁/低碳钢复合材料的界面处发生了 C原子的扩散现象,且扩散方向为从高铬铸铁熔覆层向低碳钢,在靠近界面的低碳钢一侧形成了一定厚度的珠光体层,珠光体层的厚度随Cr含量的增加而减小;在高铬铸铁熔覆层一侧形成了厚度约为30 μm的扩散层,扩散层内的组织为屈氏体。高铬铸铁/低碳钢复合材料与高铬铸铁熔覆层材料相比,冲击功提高了约两倍。不同Cr含量的复合材料的剪切强度随着Cr含量的增加而下降,但剪切强度值均在300 MPa以上。