加筋复合白口铸铁界面的结合强度

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1997.05.00M 第19卷第5期 北京科技大学学报 Vol.19 No.5 1997年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1997 加筋复合白口铸铁界面的结合强度 赵爱民 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要研究了在白口铸铁工件中埋人一定数量的钢筋制成加筋式复合白口铸铁的界面结合强度 及其影响因素，实验表明，钢筋表面除锈后再经过3种防锈处理都能提高加筋复合白口铸铁的界 面结合强度，但效果相差不大.正交试验结果表明，在镶铸工艺因素中，液固体积比（白口铁铁水 体积：埋人钢筋的体积)对界面结合强度影响最大，浇注温度和钢筋预热温度也有显著的影响， 关键词界面，白口铸铁，金属复合材料/结合强度，表面处理 中图分类号TB331,TG252 加筋复合白口铸铁是将一定数量的钢筋通过镶铸的方法埋置铸件中，形成类似于纤维增 强的复合材料.钢筋起强韧化作用，并且可以阻止复合材料中裂纹的扩展)，而白口铁组元 作为抗磨组元，能有效地抵抗磨料磨损.这种复合白口铸铁可应用于带有一定冲击载荷的严 重磨料磨损的工况条件下，例如应用它来制作颚式破碎机颚板，锤式破碎机锤头，圆锥式破碎 机衬板，等等3，但是该种材料的界面结合强度对其性能有很大影响.本文在实验的基础上 对界面结合强度进行实验研究，并根据复合材料界面结合强度的测量方法5.，设计了测量这 种加筋复合白口铸铁的界面结合强度的实验方法. 1实验方法和条件 1.1钢筋表面处理 普通碳素钢筋在大气环境中，表面上会形成一薄层结构松散的氧化铁铁锈，这不利于钢 筋与白口铁的界面结合，因此必须除去这层氧化铁锈.常用的除锈的方法多种多样，本实验采 用10%HC除锈.酸洗时间为5~15mi,酸洗后用清水冲洗干燥备用.除锈后的钢筋如果不 采取防锈措施，表面又会重新氧化.本实验采用下列3种防锈处理措施 (I)钠盐防锈水的暂时防锈方法，将除锈后的钢筋浸人防锈水中使钢筋表面发生钝化，这 样处理后能保证钢筋表面7d内不发生氧化) (2)硼砂处理，在钢筋表面涂挂上一层硼砂，能防止钢筋表面再次氧化，并且有助于改善 铁水与钢筋表面的润湿性， (3)热镀锌处理.使钢筋表面覆盖一层防锈层， 1996-08-25收稿 第一作者男35岁副教授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 加筋复合 白 口 铸铁界 面 的结合强度 赵爱 民 北京科技大学冶 金 学 院 ， 北京 摘要 研究 了 在 白 口 铸铁工件 中埋人一 定数量 的钢筋制成加筋式复合 白 口 铸铁 的界 面结合强 度 及其影 响 因素 实验表 明 ， 钢筋 表 面 除锈后 再经过 种 防锈处理都能提高加筋复合 白 口 铸铁 的界 面 结合强 度 ， 但效果相 差 不 大 正 交试验结果表明 ， 在镶铸工 艺 因素中 ， 液 固体积 比 白 口 铁铁水 体积 埋人钢筋的体积 对界 面结合强度影 响最大 ， 浇注温度和钢筋预热温度也有显著的影 响 关键词 界 面 ， 白 口 铸铁 ， 金属 复合材料 结合强度 ， 表面处理 中图分类号 珊 ， 加 筋 复 合 白 口 铸铁是 将 一定 数量 的钢筋 通过镶铸 的方 法埋置铸件 中 ， 形成类似于纤 维增 强 的复 合 材 料 钢筋起 强 韧 化 作 用 ， 并 且 可 以 阻止 复 合材料 中裂 纹 的扩展， ’ 〕 ， 而 白 口 铁组 元 作 为抗磨 组元 ， 能有 效地 抵抗 磨料磨 损 这 种 复合 白 口 铸铁可应 用于 带有 一定 冲击 载荷 的严 重磨料磨损 的工 况条件下 ， 例如应 用它来 制作颗式破碎机颗板 ， 锤式破碎机锤 头 ， 圆锥式破碎 机 衬板 ， 等等 〕 但 是 该 种 材 料 的界 面结合 强 度 对其性 能有很大影 响 本文 在 实验 的基 础 上 对界 面结 合强度进行 实验研究 ， 并根据复合材料 界 面结合强度 的测 量方法， ， 设计 了测量这 种加筋复合 白 口 铸铁 的界 面结合强度 的实验方法 实验方法和条件 钢筋表面处理 普通 碳 素钢筋在 大 气环境 中 ， 表 面 上 会形 成 一 薄层 结 构松 散 的氧化铁铁锈 ， 这 不 利 于 钢 筋 与 白 口 铁 的界 面结合 ， 因此 必须 除去这 层 氧化 铁锈 常用 的除锈 的方 法多种 多样 ， 本 实验采 用 除锈 酸洗 时 间 为 一 ， 酸洗 后 用 清水冲洗 干燥 备 用 除锈 后 的钢 筋 如果 不 采取 防锈措施 ， 表 面又 会重新 氧化 本实验采 用下列 种 防锈处理 措施 钠 盐 防锈水 的暂 时 防锈方 法 将 除锈后 的钢筋 浸人 防锈 水 中使钢筋 表 面 发 生钝 化 ， 这 样处理 后 能保证钢筋表 面 内不 发生 氧化 硼 砂处理 在 钢 筋 表 面 涂挂 上 一层 硼 砂 ， 能 防止 钢 筋 表 面再 次 氧化 ， 并 且 有 助 于 改 善 铁水 与钢筋表 面 的润湿性 热镀锌处理 使钢筋 表 面覆 盖 一层 防锈层 一 一 收稿 第一作者 男 岁 副教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．05．004

Vol.1997 No.5 赵爱民等：加筋复合白口铸铁界面的结合强度 ·435· 1.2试样的镶铸 将处理好的钢筋预埋在铸型中，铸型一起放人箱式电阻炉中进行预热，再将熔化好的铁 水浇入铸型中，铁水凝固后，这2种材料结合在一起，镶铸时应控制出炉温度和浇注温度，采 用铂佬一铂热电偶测量温度. 1.3界面结合强度测量方法 采用钢筋拔出实验，测量界面的剪切强度.试样形状如图1所示，试样的中间为钢筋，外 部镶铸白口铸铁.测量时将钢筋从白口铸铁中拔出，测量钢筋拔出时的拉力F,按下列公式计 算出界面结合的剪切强度t,: 结合界面 ts=F/A=FndL 钢筋 式中，，一界面结合的剪切强度；F一钢筋 拔出时的拉力；一镶入钢筋的直径；L一每 段钢筋铸人白口铁中的深度. 白口铸铁 2实验结果与分析 图1钢筋拔出实验的试样的几何形状 2,1镶铸工艺参数对结合强度的影响 影响结合强度的工艺参数主要有：液固体积比（铁水体积：镶入钢筋的体积），钢筋镶铸 前预热温度和镶铸时浇注温度.为了考察这3个参数对界面结合强度的影响，设计三因子二 水平的正交实验.液固体积比a选2种情况：a=8.0(图1中D=60mm;d=20mm)和 a=3.0(图1中D=40mm;d=20mm);浇注温度选1500℃和1400℃，钢筋预热到200℃ 和不预热，测得的结果如表1所示. 表1镶铸工艺因素对界面结合强度的影响 试样号浇注温度/℃ 钢筋预热温度/℃液固体积比 拔出力F/kN 剪切强度r;/MPa 111 1400 室温 3.0 68.0 54.1 112 1400 室温 8.0 129.8 103.1 211 1500 室温 3.0 73.5 58.5 212 1500 室温 8.0 142.0 113.1 121 1400 200 3.0 83.7 66.1 122 1400 200 8.0 142.0 113.1 221 1500 200 3.0 98.8 78.7 222 1500 200 8.0 166.0 132.2 对表1的数据进行方差分析，发现这3个因素对界面结合强度有显著影响，其中液固体积 比α对界面结合强度的影响最显著，浇注温度次之，而钢筋预热温度也有明显的影响， 从表1可以看出，液固体积比α愈大，界面结合强度愈高.由于浇人的铁水量愈多，铁水 所提供的热量愈多，在镶铸时钢筋表面加热的温度也愈高，甚至可能造成钢筋表面极薄一层 发生熔化，白口铸铁和钢筋表面能够扩散结合或熔化结合在一起，有利于提高界面结合强

赵爱尽等 加筋复合 白 口 铸铁界 面 的结合强 度 · · 试样的镶铸 将处 理 好 的钢 筋 预埋 在 铸 型 中 ， 铸型 一起 放人 箱 式 电阻 炉 中进 行 预 热 ， 再 将熔 化 好 的铁 水浇人 铸型 中 ， 铁水凝 固后 ， 这 种 材 料 结合在 一起 镶 铸时应控 制 出炉 温 度 和 浇注 温 度 ， 采 用铂锗一铂热 电偶测 量 温 度 界面结合强度测最方法 采 用 钢 筋 拔 出实验 ， 测 量 界 面 的剪 切 强 度 试 样 形 状 如 图 所示 ， 试 样 的 中间为 钢 筋 ， 外 部镶 铸 白 口 铸铁 测 量 时将 钢筋从 白 口 铸铁 中拔 出 ， 测 量 钢筋拔 出时 的拉力 ， 按 下 列公 式 计 算 出界 面结合 的剪 切强 度 了 厂兀 口乙 式 中 ， ， 一界 面 结 合 的 剪 切 强 度 汪一钢筋 拔 出 时 的拉力 ‘去一镶 人 钢 筋 的直 径 汉少一每 段 钢筋铸人 白 口 铁 中的深度 结合界 面 钢筋 白 口 铸铁 刃口一〕 、 实验结果与分析 镶铸工艺参数对结合强度 的影 响 图 钢筋拔 出实验的试样的几何形状 。 影 响结合强 度 的工 艺参数主要 有 液 固体 积 比 铁水 体积 镶 人 钢筋 的体 积 ， 钢筋 镶 铸 前 预 热温 度 和镶 铸 时浇 注温 度 为 了考 察这 个参数 对界 面 结合 强 度 的影 响 ， 设 计 三 因 子二 水 平 的 正 交 实 验 液 固 体 积 比 选 种 情 况 二 图 中 和 图 中 浇 注 温 度 选 和 ， 钢 筋 预 热到 和 不 预热 ， 测 得 的结果 如表 所示 表 镶铸工艺因素对界面结合强度 的影 响 试样号 浇注温度 ℃ 钢筋预热温度 ℃ 液 固体积 比 拔出力 剪切强度 八曰︸ … 室 温 ︸，凡︸八气，︶，、 室 温 室 温 室温 ‘几且‘且 工， ‘ 工， 一，，︸，‘一，，，乙︸，，， 对表 的数据 进行 方差 分 析 ， 发现 这 个 因 素对界 面 结合 强 度 有 显 著影 响 ， 其 中液 固体积 比 对界 面结合 强度 的影 响最 显著 ， 浇 注温度 次之 ， 而钢 筋 预热 温度 也有 明显 的影 响 从表 可 以看 出 ， 液 固体积 比 愈 大 ， 界 面 结合 强 度 愈 高 由于 浇人 的铁 水量 愈 多 ， 铁水 所提 供 的热量 愈 多 ， 在 镶铸 时钢筋 表 面加 热 的温 度 也 愈 高 ， 甚 至 可 能造 成 钢筋 表 面极 薄一层 发 生 熔 化 ， 白 口 铸铁 和 钢 筋 表 面 能 够 扩 散 结 合 或 熔 化 结 合 在 一 起 ， 有 利 于 提 高 界 面 结 合 强

·436· 北京科技大学学报 1997年第5期 度，同样，提高铁水浇铸温度也能增加界面结合强度，钢筋经过预热后，界面温度上升快，温度 高，有利于两者之间的结合，也能高界面结合强度， 2.2 钢筋表面处理工艺对结合强度的影响 设计了3种钢筋表面处理工艺，采用拔出试验测量这3种表面处理的钢筋镶铸后的界面 结合强度，其测量结果如表2所示 表2钢筋表面处速工艺对界面结合强度的影响 试样号 钢筋表面处理工艺 铁水与钢筋的体积比a拨出力F?kN 界面钻合强度x,/Ma P31011HC1除锈+钠盐防锈 4.0 77.9 68.9 P3102 HC1除锈+钠盐防锈 10.1 112.6 102.2 P3201 HC除锈+通砂防锈 4.0 81.5 72.1 P3202 HC除锈+開砂防锈 10.1 126.2 1111.6 P3301 HC1除锈+镀锌防锈 4.0 79.1 70.0 P3302 HC☐除锈+镶锌防锈 10.1 127.4 112.7 P3401 未处理 4.0 45.8 40.5 P3402 木处理 10.1 82.2 72.1 从表2可以看出这3种钢筋表面处理方法对结合强度的影响相差不大，经硼砂处理和镀 锌处理后，界面结合强度比钠盐防锈水处理后稍高，这可能是因为硼砂处理，除了有防锈作用 外，还能改善金属液体的浸润性，这一点与仟焊中使用玀砂作为钎剂原理相同.对于镀锌处理 的钢筋，钢筋表面的锌在高温铁水的作用下汽化形成的锌蒸汽，对白口铸铁凝固将产生一定 的变质作用，如图2()，从图中可以看出，镀锌处理的界面微观组织中白口铸铁部分晶粒细 小；图2化)是钠盐防锈水处理后的界面微观组织照片.钠盐处理主要是起防锈作用，因为钠盐 中亚硝酸根离子吸附在钢铁表面，并占据了铁晶格中最活泼的位置，从而减少铁表面的电化 学腐蚀切 图2复合白口铸铁结合界面微观组织照片 ()镀锌防锈处理b)钠盐防锈水处理

Vol.1997 No.5 赵爱民等：加筋复合白口铸铁界面的结合强度 ·437* 在这3种表面处理方法中，钠盐防锈水处理工艺最简单易行，而且它们对界面结合强度 的影响相差不大，尽管镀锌处理防锈期较长，而钠盐防锈水处理只是一种暂时防锈方法，仅可 保证钢筋在7d内不发生锈蚀，但从经济上考虑，推荐采用钠盐防锈水处理. 3结论 应用镶铸方法制造加筋复合白口铸铁时，液固体积比、浇注温度、钢筋预热温度对界面结 合强度有显著影响，其中液固体积比最为显著，浇注温度次之，而钢筋预热温度也有明显的影 响.液固体积比愈大，浇注温度愈高，复合白口铸铁的界面结合强度愈高，钢筋的预热处理能 使结合强度增加，钠盐防锈水、硼砂和镀锌处理3种方法对界面结合强度影响相差不大，而钠 盐防锈水处理，工艺简便，防锈期限能满足生产应用， 参考文献 1赵爱民，王兆昌.加筋复合白口铸铁强韧化的研究.北京科技大学学报，1991(2)：123 2赵爱民.加筋复合白口铁的研究：[硕士论文].北京：北京科技大学，1989 3 Wempe P C.White Iron Composite for Abrasion Resistance.In:Conf on Lubrication Friction and Wear in Engineering.Australia:The Institution of Engineers,1980.91 4 Yamamoto Masahiko.Development of Wear-Resistant Materials for Blast Furace.Nippon Steel Technical Report,1980(5):62 5 Kreider Kenneth G.Metallic Matrix Composites.New York:Academic Press,1974 6 Piet W M.Effects of Cure and Sizing on Fiber-matrix Bond Strength.Journal Composite Materials, 1987,12:157 7曾兆民.防锈.北京：国防工业出版社，1978 Interface Bonding Strength of Composite White Cast Iron Embedded Steel Bar Z☑hao Aimin Metallurgical School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The interface bonding strength of composite white cast iron embedded reinforcement steel bar was researched.The experimental results show that the interface bonding strength of this kind composite white cast iron is effected by surface treatments of steel bar and factors of cast-in process such as the volume ration of liquid white cast iron to the steel bar which inserted in,pouring temperature,preheated temperature of steel bar. KEY WORDS interface,white cast iron,metal matrix composite material,bonding strength,surface treatment

赵爱 民等 加筋复合 白 口 铸铁界 面 的结合强度 在 这 种 表 面处理 方法 中 ， 钠 盐 防锈水处理 工 艺最 简单易 行 ， 而 且 它们 对界 面结合 强 度 的影 响相 差不 大 ， 尽管镀锌处理 防锈期较长 ， 而钠 盐 防锈水处理 只是 一种 暂时 防锈方法 ， 仅可 保证钢筋在 内不 发 生锈蚀 ， 但从经济上 考 虑 ， 推荐采 用钠盐 防锈水处理 结论 应用镶铸方法 制造加筋复合 白 口 铸铁 时 ， 液 固体积 比 、 浇 注温度 、 钢 筋 预热温度 对界 面结 合强度有 显著影 响 ， 其 中液 固体积 比最 为显著 ， 浇注 温度 次之 ， 而 钢筋 预热温度 也有 明显 的影 响 液 固体积 比愈大 ， 浇注 温度 愈 高 ， 复合 白 口 铸铁 的界 面 结合 强 度 愈 高 钢筋 的 预 热处理 能 使结合强度增加 钠盐 防锈水 、 硼 砂和镀锌处理 种 方法 对界 面结合 强 度 影 响相 差 不 大 ， 而 钠 盐 防锈水处理 ， 工艺简便 ， 防锈期 限能满足 生产应 用 参 考 文 献 赵爱民 ， 王 兆 昌 加筋复合 白口 铸铁强 韧化的研究 北京科技大学学报 ， 赵爱民 加筋复合 白口 铁的研究 〔硕士论文 北京 北京科技大学 ， 从飞 丁卜 ， 印旧 幽 即 俪 砒训找 ， 此 亡 掩 ， 忱 ， ， 曾兆 民 防锈 北京 国防工 业 出版社 ， 刀王 ， 尹月’ ， ， 面 瓦 谧 ’ 垃 ， ， 乞 ， ， ， ， 认