CeO2调控高铬铸铁M7C3碳化物界面特性及耐磨性的机制研究

本文通过引入稀土氧化物CeO2，系统研究了其对过共晶高铬铸铁（HHCCI）中初生M7C3碳化物的细化作用及耐磨性提升机制。结合显微组织分析（OM/SEM）、摩擦学测试和第一性原理计算，揭示了CeO2（111）/M7C3（0001）界面9.23%的晶格错配度及其作为异质形核核心的可行性，为高性能耐磨材料设计提供了理论依据。

　　

Highlight

稀土氧化物CeO₂被引入过共晶高铬铸铁（HHCCI），旨在细化初生M₇C₃碳化物并提升其耐磨性。通过光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）等先进表征技术，全面分析了微观结构演变规律。摩擦系数和磨损形貌的测试表明白光共聚焦显微镜下，2.0 wt% CeO₂的添加使初生M₇C₃平均直径降至6.8 μm，稳态摩擦系数从0.58增至0.63，磨损率降低38.7%。

Lattice mismatch degree of CeO₂/M₇C₃ interface

采用二维晶格错配公式计算发现，CeO₂（111）与M₇C₃（0001）面的错配度为9.23%，表明CeO₂可作为M₇C₃的非自发形核基底。通过构建Ce-M₇C₃、O1-M₇C₃和O2-M₇C₃三种界面模型，发现O2-M₇C₃构型具有最优界面稳定性——其最大粘附功（16.29 J/m²）和最小界面能（-9.49 J/m²）揭示了原子尺度的强键合特性。

Conclusions

1. 1.

   当CeO₂添加量为2.0 wt%时，初生M₇C₃碳化物尺寸最小（约6.8 μm）；

2. 2.

   CeO₂使稳定摩擦系数提升至0.63，磨损率降低38.7%，显著优化耐磨性；

3. 3.

   9.23%的晶格错配度证实CeO₂可作为M₇C₃的高效形核核心，O2-M₇C₃界面模型展现出最佳稳定性。