直流電弧原位冶金粗晶碳化鎢塊體復(fù)合材料研究.pdf

1、碳化鎢(WC)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐磨損性能，特別是粗晶WC能有效提高復(fù)合材料的韌性，在要求磨損抗力高的工業(yè)領(lǐng)域顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)粉末冶金工藝環(huán)節(jié)多、周期長(zhǎng)、能耗高;新興快速制備工藝集中于表面增強(qiáng)涂層的研究，多以WC為原料，而其在高能束流高溫作用下易燒損、分解，對(duì)材料性能不利。本文發(fā)展了直流電弧原位冶金WpC(WC和W2C)復(fù)合材料新方法，實(shí)現(xiàn)了短流程、低成本、快速的從高溫熔體中原位生成粗晶WC塊體復(fù)合材料，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生

2、產(chǎn)。
　　本文分別以W-C粉末和WO3-C粉末為原料，采用管裝和Fe棒兩種形式的自耗電極，利用直流電弧原位冶金方法制備了WpC塊體復(fù)合材料。分析了復(fù)合材料的物相和組織結(jié)構(gòu)，研究了復(fù)合材料的硬度和干滑動(dòng)摩擦磨損性能，考察了工藝參數(shù)變化對(duì)復(fù)合材料組織性能的影響，探討了高溫液相W-C原位反應(yīng)機(jī)理和WpC結(jié)晶長(zhǎng)大機(jī)制。
　　研究結(jié)果表明，管裝自耗電極直流電弧W-C原位冶金生成了大量WC相，獲得了以WpC為主要硬質(zhì)相，F(xiàn)e基固溶體為粘

3、結(jié)相的塊體復(fù)合材料，宏觀成型好，均勻致密。WC相為棱角分明的矩形或三角形晶粒，從試樣頂部到底部成梯度分布，其含量和晶粒度受工藝參數(shù)影響。1000A電流150mm自耗電極時(shí)，WC最大粒度達(dá)到80μm;隨電流減小，WC含量增加，晶粒變大，600A電流時(shí)最大粒度達(dá)到120μm;隨電極長(zhǎng)度增加，含量減少，晶粒粗化，同為600A電流，電極長(zhǎng)度增至300mm，WC最大粒度高達(dá)200μm。W2C相主要形成于試樣上部，為非等軸六次花瓣?duì)钪В囟ǚ较蛑?/p>

4、干粗大，二次枝晶臂發(fā)達(dá)。Fe3W3C相為魚骨狀共晶或由暗色規(guī)則多邊形包圍亮色不規(guī)則凸起構(gòu)成的復(fù)相組織。
　　基于工藝參數(shù)對(duì)管裝自耗電極試樣的影響規(guī)律，在滿足WC原位生成的熱力學(xué)條件下，適時(shí)降低反應(yīng)后期熱量輸入，延長(zhǎng)熔池保溫時(shí)間，F(xiàn)e棒自耗電極WpC復(fù)合材料有效抑制了W2C和Fe3W3C的生成，實(shí)現(xiàn)WC含量大幅度增加，晶粒度同步顯著粗化，最大粒度達(dá)300μm。
　　直流電弧高溫熔體利于W-C的原位反應(yīng)，熱力學(xué)高溫穩(wěn)定相W2C易

5、于生成，以C為主的動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散進(jìn)程使W2C轉(zhuǎn)變?yōu)閃C。高溫下C原子是以間隙擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)入W原子密堆積的八面體空隙，隨C進(jìn)入量的增加，W轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷亓溅?W2C(P63/mmc)。當(dāng) C占據(jù)所有八面體空隙后，β-W2C轉(zhuǎn)變?yōu)榱溅?WC(P(6)m2)。WC以{0001}為基面，沿<0001>方向依靠二維成核或螺旋位錯(cuò)等缺陷提供的臺(tái)階側(cè)向?qū)訝钌L(zhǎng)，具有明顯的小平面特征，呈現(xiàn)由{0001}底面和{10(1)0}、{01(1)0}柱面構(gòu)成的六棱柱

6、狀初生形貌。{10(1)0}柱面界面能高、與C親和力大，在高溫富C熔體中法向生長(zhǎng)速率快，面積逐漸縮小;當(dāng)其最終消失時(shí)，晶粒演變成由{0001}底面和{01(1)0}柱面構(gòu)成的扁平三棱柱。熔池過冷度未影響WC的小平面層狀微觀生長(zhǎng)機(jī)制，但過冷度增大到臨界值后，晶體生長(zhǎng)速度突然增大。初生W2C相為徑向六次對(duì)稱分布的等軸花瓣?duì)钪?，生長(zhǎng)過程中受熔池?zé)崃饔绊懼饾u偏離等軸性生長(zhǎng)，生長(zhǎng)機(jī)制由初生小平面晶的臺(tái)階側(cè)向長(zhǎng)大轉(zhuǎn)變?yōu)榉切∑矫婢У倪B續(xù)長(zhǎng)大。

7、>　　原位冶金WpC復(fù)合材料中各相的硬度成梯度分布，WC晶粒平均顯微硬度達(dá)到2300HV0.2以上，最高硬度達(dá)2782HV0.2，W2C和M7C3相的硬度達(dá)到1830HV0.2和1500HV0.2以上。WC晶粒三角形底面的硬度值明顯高于柱面，大底面扁平狀WC晶粒的機(jī)械性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)形貌的晶粒。
　　考察了干滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中載荷、時(shí)間和滑動(dòng)速度對(duì)WpC復(fù)合材料摩擦系數(shù)、磨痕深度及磨損失重的影響，建立了摩擦特性與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)

8、果表明:WpC復(fù)合材料耐磨損性能受WC含量和晶粒度的影響。管裝自耗電極試樣隨電流增大，WC含量降低，晶粒度減小，耐磨損性能下降;隨電極長(zhǎng)度增加，WC含量有所下降，但晶粒明顯粗化，耐磨損性能提高。Fe棒自耗電極試樣同時(shí)顯著提升了WC含量和晶粒度，耐磨損性能最佳。同等條件下，300mm管裝自耗電極在600A電流下制備的試樣具有與YG13C相近的耐磨損性能，而Fe棒自耗電極試樣的耐磨損性能稍優(yōu)于YG13C;WpC復(fù)合材料的耐磨損性能均明顯優(yōu)于

9、調(diào)質(zhì)熱處理42CrMo鋼，摩擦系數(shù)最高下降0.25，磨損失重最多減少80％。WpC復(fù)合材料的磨損機(jī)制主要為顯微切削和硬質(zhì)相剝落，伴隨產(chǎn)生由剝層磨損形成的片狀磨屑以及磨粒與磨損表面多次作用形成的塊狀磨屑。
　　在對(duì)W-C體系系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，探索了以WO3、C粉末為原料的直流電弧原位冶金方法，進(jìn)一步省卻由WO3制備W粉所必需的長(zhǎng)時(shí)間高溫還原環(huán)節(jié)，成本更低。初步試驗(yàn)原位生成的WC最大粒度已達(dá)150μm，顯微硬度超過2380HV0.2。