原位冶金碳化鎢復(fù)合材料研究.pdf

1、由于傳統(tǒng)粉末冶金制備WC系硬質(zhì)合金的工藝復(fù)雜，流程長，耗能大，成本高，并且WC顆粒具有本質(zhì)遺傳性，從而限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。為短流程快速制備WpC（WC+W2C）復(fù)合材料，本文采用W基合金粉體原料，研制開發(fā)了等離子原位冶金技術(shù)和自耗電極直流電弧原位冶金技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了WpC復(fù)合材料高效低成本的原位制備。WC、W2C等硬質(zhì)相從高溫熔體中原位生成，體系潔凈無污染，合金組織致密均勻，耐磨性能優(yōu)良。原位冶金技術(shù)設(shè)備造價(jià)低廉，加工效率高，可控性強(qiáng)

2、，更容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
　　本文采用等離子原位冶金技術(shù)和自耗電極直流電弧原位冶金技術(shù)在42CrMo截齒齒頂盲孔內(nèi)和Al2O3耐火材料型腔內(nèi)制備出了塊體WpC復(fù)合材料。采用SEM、XRD、EDS、EMPA、TEM等對(duì)WpC復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)、物相及成分進(jìn)行了分析。采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測量了WpC復(fù)合材料的滑動(dòng)磨損性能和固定磨料條件下的磨料磨損性能。
　　組織分析結(jié)果表明，采用等離子原位冶金技術(shù)和自耗電極直流電弧原位冶金技術(shù)在截齒

3、齒頂盲孔內(nèi)制備出的塊體WpC復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)近似，相組成為WC、W2C、M6C（Fe3W3C）、γ-Fe以及少量的Cr7C3和(Fe，Ni)3C，合金和基體呈良好冶金結(jié)合，從結(jié)合界面向合金內(nèi)部，依次為平面晶區(qū)、魚骨狀共晶區(qū)、十字花狀樹枝晶區(qū)。魚骨狀共晶主要物相為Fe3W3C（亮區(qū)）和γ-Fe（暗區(qū)），十字花狀樹枝晶物相組成為Fe3W3C，這三個(gè)區(qū)域的總厚度一般不超過200μm；再向內(nèi)一直到合金的中心，組織較均勻，其特點(diǎn)是具有四角到六角

4、形分支的樹枝晶—Fe3W3C分散分布于具有長條狀結(jié)晶特點(diǎn)的基底γ-Fe上，而具有規(guī)則三角形或四邊形的硬質(zhì)相晶粒—WC和W2C則具有集中生長的特點(diǎn)，晶粒尺寸約為0.5-20μm，以近似于包共晶轉(zhuǎn)變的形式進(jìn)行生長。
　　WpC復(fù)合材料在耐火材料型腔內(nèi)成型由于降溫速度慢，氣體有充足時(shí)間上浮逸出，使得內(nèi)部組織更加致密均勻，WC和W2C晶粒長得更大，最大的三角形晶粒邊長超過70μm，F(xiàn)e3W3C形貌和在截齒齒頂盲孔內(nèi)成型的樣品明顯不同，晶粒

5、較圓整，分支結(jié)構(gòu)大大減少。
　　研究了純W粉和純C粉在直流電弧下的反應(yīng)。在500A電流下，保證生成WC的W、C化學(xué)計(jì)量比的前提下，體系中加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4％的Al，可以得到純相WC粉體，并呈現(xiàn)出層片狀結(jié)晶的特點(diǎn)；其它條件相同，體系中加4%的Cu，則效果較差些，制備出的粉體中除含有WC外，還含有較多的W2C、WO3以及未反應(yīng)的C等。在1000A電流下，Cu作反應(yīng)助劑，符合化學(xué)計(jì)量比的W、C反應(yīng)得到的D08樣品為WC和W2C兩相共存的

6、致密燒結(jié)體，兩相以共晶的形式成核與生長。
　　在等離子束流及直流電弧作用下，WC原位反應(yīng)成核后，在熔體中生長時(shí)具有相似特征，皆以小平面的形式結(jié)晶生長。由于界面能的不同導(dǎo)致各晶面的生長速度不同，最終導(dǎo)致結(jié)晶呈現(xiàn)層片狀的結(jié)構(gòu)。
　　制備出的WpC復(fù)合材料的平均硬度都能達(dá)到HRA82以上，WC和W2C兩相共存的致密燒結(jié)體D08樣品平均硬度達(dá)HRA87.8。對(duì)合金內(nèi)部不同物相的顯微硬度分別進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，WpC相的硬度最高，能達(dá)到20

7、00HV0.2以上，組織中的Fe3W3C相的硬度也能達(dá)到1100HV0.2以上，而基體相由于固溶了部分的合金元素也表現(xiàn)出具有較高的顯微硬度，達(dá)到600-800 HV0.2左右。
　　采用兩種原位冶金技術(shù)在截齒齒頂盲孔成型的P01樣品、D04樣品和直流電弧下耐火材料型腔成型的D05樣品，在干滑動(dòng)磨損條件下，淬火45＃鋼作對(duì)磨環(huán)，在250N，400r/min轉(zhuǎn)速下，隨時(shí)間延長，三個(gè)樣品的耐磨損性能已和YG13C接近，磨損趨勢也基本相同

8、，P01和D05樣品耐磨性相當(dāng)，D04樣品稍差；在轉(zhuǎn)速為400r/min，磨損時(shí)間為2h的條件下，200N和250N載荷下三個(gè)樣品的耐磨損性能較好，失重小于YG13C，300N載荷下除D05樣品外，其余兩個(gè)樣品失重稍高于YG13C；WpC復(fù)合材料的耐磨性最高可達(dá)42CrMo鋼的15倍以上。固定磨料磨損條件下，隨載荷增大，所有試樣的失重都增加；三個(gè)樣品中，耐火材料型腔中成型樣品耐磨性最好，在100N、125N載荷作用下耐磨性與YG13C相