大斷面WCp-Fe-C復(fù)合材料性能及梯度結(jié)構(gòu)形成機制研究.pdf

1、金屬基復(fù)合材料由于綜合發(fā)揮了基體材料和添加材料的特性，使其表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，從而引起航空航天和汽車應(yīng)用領(lǐng)域的高度重視。鋁基和鎂基復(fù)合材料已在這些領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用，而Fe-C合金基復(fù)合材料由于其熔點高，比重大，制造工藝極其復(fù)雜而研究甚少。高速線、棒材熱軋生產(chǎn)線的預(yù)精軋段和精軋段用軋輥的工作條件十分惡劣。它不僅要求在高溫高速旋轉(zhuǎn)下具有足夠的強度，而且要求其表面在高溫、高載荷、高速滑動磨擦下具有極高的耐磨性能。再加上，在高速線、棒

2、材熱軋線上更換軋輥的昂貴的成本，探索一種低成本、在高溫、高載荷、高速滑動磨擦下具有高壽命、優(yōu)異綜合性能的軋輥環(huán)材料替代目前生產(chǎn)線上使用的WC鈷鎳燒結(jié)硬質(zhì)合金和高速鋼軋輥成為人們追求的目標(biāo)。本文利用比重差，采用離心鑄造技術(shù)，在自制的臥式離心鑄造機上，制備了由WCP增強的鐵基梯度復(fù)合材料外部工作層和Fe-C合金芯部基體組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)輥環(huán)，并對其進(jìn)行了系統(tǒng)全面的分析研究，取得了規(guī)律性的認(rèn)識和生產(chǎn)線上有實用價值的成果。 論文在分析了離心

3、力場下外加增強粒子在金屬熔體中的遷移和分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，以碳化鎢顆粒(WCP)為增強粒子，以Fe-C合金為基體，建立了離心力場條件下，外加WC粒子在Fe-C合金熔體內(nèi)運動和分布的理論模型。從理論上考察研究了外加WCP顆粒在Fe-C合金熔體內(nèi)的運動和分布。并利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X-ray衍射儀等多種現(xiàn)代化微觀分析手段和萬能電子拉伸試驗機、高速滑動磨損試驗機等先進(jìn)性能試驗設(shè)備，研究了梯度復(fù)合材料的

4、組織、性能、界面結(jié)構(gòu)、斷裂和磨損行為及其機制。采用離心鑄造法成功地在轉(zhuǎn)速600rpm～1200rpm下制備了外徑164mm～292mm，內(nèi)徑78mm～140mm，高67mm～100mm的由WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料外層和Fe-C合金芯部基體組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)厚壁環(huán)試樣，厚壁環(huán)試樣的WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料外層厚度達(dá)到了20～30mm。對試樣的分析研究表明，在該試驗條件下，建立的外加WCP在Fe-C合金熔體內(nèi)運動和分布的理論模型與試驗結(jié)

5、果基本吻合。 對試樣微觀組織及性能的系統(tǒng)分析表明：1)不同離心機轉(zhuǎn)速下WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料層內(nèi)，WCP顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60～85vol.％。WCp/Fe-C復(fù)合材料層內(nèi)，WCP顆粒體積分?jǐn)?shù)沿厚壁環(huán)徑向從外層到內(nèi)層呈梯度降低，且WCP顆粒分布均勻。 2)WCP增強粒子與Fe-C合金基體結(jié)合界面平滑，無反應(yīng)物生成。WCP顆粒表面部分由被高溫Fe-C合金熔液溶解的跡象，局部WCP顆粒間有少量含W碳化物原位析出。復(fù)合材料

6、芯部Fe-C合金基體被溶解的WCP顆粒不同程度的合金化。 3)采用離心鑄造法制備的復(fù)合材料厚壁環(huán)，其外部WCP/Fe-C復(fù)合材料外層的力學(xué)性能達(dá)到了：抗拉強度318～380MPa；沖擊韌性3.8～6.9J/cm2；硬度HRA80～85。復(fù)合材料的力學(xué)性能沿厚壁環(huán)試樣徑向也呈梯度分布。 4)厚壁環(huán)芯部Fe-C合金基體的抗拉強度和沖擊韌性也分別達(dá)到420～486MPa和11.5～13.8J/cm2，硬度達(dá)到HRA73～75。

7、 5)在1050℃和3000次冷熱循環(huán)下，WCP/Fe-C復(fù)合材料的熱疲勞裂紋長度達(dá)到了1.51～2.67mm。抗熱疲勞性能均高于WC鈷鎳燒結(jié)硬質(zhì)合金(熱裂紋長度7.33mm)和高速鋼(.熱裂紋長度14.3mm)。 6)在20N和40N載荷下，80vol.％WCP的WCp/Fe-C梯度復(fù)合材料的抗磨粒磨損性(W-1)達(dá)到了206.19、127.06。這種梯度復(fù)合材料的抗磨粒磨損性(W-1)在相同磨粒磨損條件下，比WC鈷鎳

8、燒結(jié)硬質(zhì)合金(90％WC)和高速鋼分別提高了0.96倍、0.89倍和5.1倍、4.6倍。 7)WCP-Fe-C梯度復(fù)合材料層內(nèi)，WCP顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加有利于抗磨粒磨損性(W-1)的提高，80vol.％WCP的WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料在兩種磨損載荷下的抗磨粒磨損性(W-1)分別比70vol.％WCP梯度復(fù)合材料提高了1.27倍和1.22倍。 8)在不同的滑動速度下，WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的耐磨性能(W

9、-1)。在40m/s、60m/s、80m/s、100m/s滑動速度和50N、100N、150N、200N載荷的高速干滑動摩擦條件下，80vol.％WCP的WCp/Fe-C梯度復(fù)合材料的耐磨性能(W-1)是相同磨損條件下高速鋼的5～27倍。但在較高速滑動速度(大于60m/s)和較大載荷(大于100N)條件下，低于WC鈷鎳燒結(jié)硬質(zhì)合金(90％WC)。 9)高速干滑動摩擦條件下，WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料的磨損為氧化磨損、剝層磨損和

10、粘著磨損的綜合機制。 試制的由WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料外層和Fe-C合金芯部基體組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)輥環(huán)，在高速棒材生產(chǎn)線的精軋段軋制φ18～20mm棒材。在生產(chǎn)線上的試用表明，復(fù)合材料輥環(huán)的一次軋制量，即：兩次修整輥環(huán)孔型間的軋制量7100～7300噸，略高于WC燒結(jié)硬質(zhì)合金輥環(huán)(6800～7000噸)，使用壽命與WC硬質(zhì)合金輥環(huán)相當(dāng)，可代替WC硬質(zhì)合金輥環(huán)和高速鋼輥環(huán)，應(yīng)用在高速線棒材熱軋機精軋段和預(yù)精軋段。 經(jīng)核算，

11、采用由WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料外層和Fe-C合金芯部基體組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)輥環(huán)替代WC燒結(jié)硬質(zhì)合金輥環(huán)，成本可降低50％，按年產(chǎn)175萬噸線(棒)材計算，需要輥環(huán)10000個，估計年節(jié)約輥環(huán)費用5千萬元人民幣，節(jié)約鈷、鎳戰(zhàn)略物資約60余噸。離心法制備的WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料輥環(huán)在高速棒材熱軋機精軋段和預(yù)精軋段的成功使用填補了WCP/Fe-C梯度復(fù)合材料在高速線、棒材熱軋領(lǐng)域中應(yīng)用的國內(nèi)外空白。經(jīng)河南省科技廳組織的專家鑒定，該成果在