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《北京科技大学》 2019年
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放电等离子烧结WC/Fe复合材料的组织及其磨损性能研究

张展展  
【摘要】:在农用机械、采矿、掘进设备、盾构刀具领域,每年都有大量的零部件因磨损而失效,造成材料的浪费,因此研发具有优异综合性能的耐磨材料,提高零部件的使用寿命是亟需解决的科学问题。WC/Fe复合材料不仅具有高硬度和高耐磨性能,还具有Fe基体良好的韧性,是一种潜在的耐磨材料。目前WC/Fe复合材料制备方法主要包括铸渗、压力铸造以及压力烧结等,但这些方法仍存在一些不足,如WC颗粒分布不均匀、易形成枝状或鱼骨状共晶碳化物以及颗粒与基体间易氧化等。因此,本文利用放电等离子烧结技术(SPS)制备致密的WC/Fe复合材料,并借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X衍射等分析手段对复合材料的微观形貌、物相以及磨损后形貌进行了表征,利用显微硬度试验、洛氏硬度试验、摩擦磨损试验、韧性试验以及纳米压痕试验对复合材料力学性能、摩擦磨损行为及磨损机制进行研究。为了进一步扩大放电等离子烧结制备的WC/Fe复合材料的使用范围,本文采用放电等离子烧结-铸造法制备WC颗粒增强45钢表层复合材料,并对复合界面以及表层耐磨复合材料的组织及性能进行研究。本论文的研究成果如下:(1)采用放电等离子烧结工艺制备了 25 vol%WC/Fe复合材料,对WC不同加入方式(原位合成和外加)得到的25 vol%WC/Fe复合材料的微观组织与相组成进行对比分析,结果表明,两种加入方式制备的WC/Fe复合材料都主要是由WC、铁素体、珠光体、Fe3W3C及少量的W2C组成。Fe3W3C与基体存在一定的位相关系:[157]Fe3W3C//[001]Fe3C 和(211)Fe3W3C//(100)Fe3C。Fe3W3C在两种复合材料中的含量与分布不同:在原位合成的WC/Fe复合材料中,Fe3W3C含量较少且主要分布于WC颗粒与基体之间,形成围绕WC颗粒的圆环,圆环宽度小于3 μm;在外加WC/Fe复合材料中,Fe3W3C含量较多,不仅分布于WC颗粒与基体之间而且贯穿整个WC颗粒。(2)WC含量对放电等离子烧结原位合成WC/Fe复合材料的微观组织影响不大,但显著影响复合材料的硬度:随着WC含量的增加,WC/Fe复合材料的宏观硬度和基体的显微硬度增加,但WC颗粒与基体之间的界面和WC颗粒的显微硬度相差不大。(3)WC含量影响放电等离子烧结原位合成WC/Fe复合材料的耐磨性能:随着WC含量的增加,材料耐磨性能明显提高,当WC含量增加至一定量时(WC含量32~42vol%),复合材料的磨损率变化不大。(4)WC/Fe复合材料在磨损过程中,磨损表面存在不连续的沟槽,同时摩擦系数在较大范围内波动,呈现出磨粒磨损的特征;通过能谱以及XRD分析发现磨损表面含有氧原子,这表明摩擦磨损过程中材料表面发生了氧化,呈现出氧化磨损的特征。(5)采用放电等离子烧结-铸造法制备WC颗粒增强45钢表层复合材料,当浇铸温度为1748~1848 K,浇铸量与耐磨层质量比为10:1至14:1时,可实现二者良好的冶金结合。对制备的复合材料进行淬火与回火处理,当淬火温度为1178 K,保温40 min,回火温度为898 K,保温2 h后,复合层的硬度值小于未经热处理的WC/Fe基复合材料硬度,但仍具有较高的耐磨性能,其耐磨性能远大于45钢。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB33

【参考文献】
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