论文部分内容阅读
颗粒增强金属基表面复合材料是复合材料领域的研究热点之一。研究开发耐磨损的陶瓷颗粒增强钢铁基表面复合材料，并使之适于恶劣的磨损工况，既有科学意义又有显著的工程应用价值。此文以轧钢用导卫板为工程背景，以解决铸渗法复合材料致密和厚度等问题为目标，在导卫板失效分析的基础上，设计并研制出WC-Co预制体陶瓷颗粒，开发出普通砂型铸渗法复合材料制备技术，制备出WC-Co预制体陶瓷颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料，研究了复合材料的成分、组织和性能，重点探讨了复合材料的摩擦磨损特性。研究结果表明，耐热钢导卫板的主要失效机制是以切削犁沟为特征的磨料磨损，耐热钢硬度较低是其使用寿命较短的主要原因。高铬铸铁导卫板的主要失效机制为粘钢和磨料磨损，高铬铸铁高温硬度较低和Cr2O3氧化膜较不致密是其使用寿命低于耐热钢导卫板的主要原因。设计并研制了“WC-Co”预制体颗粒，其硬度高达HRA90。采用简便的砂型铸渗法，优化工艺参数，制备出WC-Co预制体颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料。复合层内颗粒分布较均匀，基本没有气孔和夹杂等缺陷。通过调整工艺可使复合层厚度在5mm～15mm范围内变化。预制体增强颗粒在高铬铸铁液中存在一定程度的熔化现象。凝固成形过程中，预制体增强颗粒与基材铁液之间发生了界面反应，形成冶金结合界面。同时Fe和Cr等元素扩散进入颗粒，Co和W等元素则反向扩散进入基材。复合层显微组织为铁素体、（Cr，W，Fe）23C6、WC、W2C、M6C和M12C。表面复合材料从复合层到过渡层再至高铬铸铁基材层硬度逐渐递减，呈梯度分布，复合层最高硬度HRA86.3（HRC69.5）。室温干滑动摩擦磨损条件下，WC-Co预制体颗粒增强高铬铸铁基复合材料具有较好的耐磨性能，其相对耐磨性是高铬铸铁（Cr26）的25倍以上，是耐热钢（Cr29Ni19）的9倍以上。同时，复合材料使摩擦配副45#钢的磨损量减少。当载荷为10N，磨损时间为100min时，与复合材料配副的45#钢磨损量分别只有与耐热钢和高铬铸铁配副时的1／11和1／16。较长时间的摩擦磨损过程中，复合材料／45#钢、高铬铸铁／45#钢、耐热钢／45#钢的摩擦因数依次减小。表面复合材料耐磨损的主要原因是高硬度的预制体增强颗粒突出表面承受载荷和抗磨料磨损，保护基材高铬铸铁少无磨损，同时基材高铬铸铁具有一定的硬度和韧性可有力支撑颗粒。此外表面复合材料因含有较多的异相陶瓷颗粒可明显减少粘着磨损。WC-Co颗粒增强高铬铸铁基表面复合材料综合性能优异，有望用以制造导卫板等高温高速磨损工况耐磨件。