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磨损是工程材料失效的三大形式之一,在矿山、冶金、农业、化工、机械行业中造成巨大的安全隐患和经济损失。三元硼化物具有高强度、高韧性、强抗氧化性和良好导电性等优异性能,将其作为硬质相与金属结合成为耐磨复合材料或涂层可以改善工业加工制造中的磨损失效问题。目前对三元硼化物基复合材料及其涂层的研究没有足够成熟,需要国内外对三元硼化物基复合材料的新类型进行开发并不断扩展其在耐磨领域的研究与应用。针对这一问题,本文在目前国内外对三元硼化物基复合材料的研究与应用基础上,研究了由增强相三元硼化物FeWB与粘结相Fe组成的新型三元硼化物基复合材料及其涂层,分析了不同工艺下材料的组织与耐磨性能。主要研究结果如下:(1)以灰铸铁作为浇注金属液,W粉、B4C粉为原始粉末,采用铸渗工艺原位合成了 FeWB基复合材料。复合材料主要由α-Fe、增强相FeWB和WC以及少量Fe3(C,B)组成。W与B4C基本全部参与反应,生成的FeWB和WC颗粒均匀分布在α-Fe基体中,显著提高了材料的耐磨性能。随着反应物中的W含量增加,FeWB和WC颗粒尺寸和含量增加,复合材料的平均硬度提高,而增强相颗粒的脆硬性更大,且金属基体对增强相的支撑作用减弱,导致耐磨性降低。(2)将W、Fe和Fe-B合金粉作为原料,采用SPS烧结工艺,以烧结温度为变量,原位合成FeWB基复合材料。烧结温度较低时(1000℃),烧结过程中基本不发生反应,烧结体成分以原料为主。随烧结温度升高(1050℃),相邻粉末间发生元素原子扩散,反应生成少量Fe2B、W2B和FeWB。当烧结温度较高时(1100℃,大量原料参与反应,中间相Fe2B、W2B消失,基本全部转化为FeWB。随烧结温度升高,体系反应愈发完全,复合材料的平均硬度显著提高,FeWB体积分数较高区域硬度最高达到1762 HV0.2。(3)采用SPS烧结工艺-等离子重熔工艺复合制备FeWB基复合涂层,首先采用SPS烧结工艺,以W、Fe和Fe-B合金粉为原料,在Q235基板表面制备FeWB涂层,再采用不同的等离子电流对预制的涂层进行重熔处理。未重熔SPS烧结涂层与Q235基板呈机械结合,涂层中存在大量的原料W及部分中间产物W2B、Fe7W6,只有少量FeWB生成,且组织偏聚严重、孔隙较多,导致其显微硬度较低且不均匀,耐磨性较差;经低电流(30A)重熔,部分原料进一步转化为FeWB,缺陷有所减少;随着重熔电流增加(40 A和50 A),涂层与Q235基板结合界面形成结合紧密的过渡层,呈冶金结合,原料基本完全转化为FeWB,并呈块状均匀分布在α-Fe基体中,组织结构更加致密,表现出较高的显微硬度,耐磨性显著增强,尤其40 A电流下重熔涂层表现出更加优异的耐磨性,其磨损量仅为未重熔SPS烧结涂层的17.4%。