大断面WCp/Fe-C复合材料性能及梯度结构形成机制研究

摘要

金属基复合材料由于综合发挥了基体材料和添加材料的特性，使其表现出优异的综合性能，从而引起航空航天和汽车应用领域的高度重视。铝基和镁基复合材料已在这些领域得到广泛的研究和应用，而Fe-C合金基复合材料由于其熔点高，比重大，制造工艺极其复杂而研究甚少。高速线、棒材热轧生产线的预精轧段和精轧段用轧辊的工作条件十分恶劣。它不仅要求在高温高速旋转下具有足够的强度，而且要求其表面在高温、高载荷、高速滑动磨擦下具有极高的耐磨性能。再加上，在高速线、棒材热轧线上更换轧辊的昂贵的成本，探索一种低成本、在高温、高载荷、高速滑动磨擦下具有高寿命、优异综合性能的轧辊环材料替代目前生产线上使用的WC钴镍烧结硬质合金和高速钢轧辊成为人们追求的目标。本文利用比重差，采用离心铸造技术，在自制的卧式离心铸造机上，制备了由WCP增强的铁基梯度复合材料外部工作层和Fe-C合金芯部基体组成的复合结构辊环，并对其进行了系统全面的分析研究，取得了规律性的认识和生产线上有实用价值的成果。 论文在分析了离心力场下外加增强粒子在金属熔体中的迁移和分布规律的基础上，以碳化钨颗粒(WCP)为增强粒子，以Fe-C合金为基体，建立了离心力场条件下，外加WC粒子在Fe-C合金熔体内运动和分布的理论模型。从理论上考察研究了外加WCP颗粒在Fe-C合金熔体内的运动和分布。并利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X-ray衍射仪等多种现代化微观分析手段和万能电子拉伸试验机、高速滑动磨损试验机等先进性能试验设备，研究了梯度复合材料的组织、性能、界面结构、断裂和磨损行为及其机制。采用离心铸造法成功地在转速600rpm～1200rpm下制备了外径164mm～292mm，内径78mm～140mm，高67mm～100mm的由WCP/Fe-C梯度复合材料外层和Fe-C合金芯部基体组成的复合结构厚壁环试样，厚壁环试样的WCP/Fe-C梯度复合材料外层厚度达到了20～30mm。对试样的分析研究表明，在该试验条件下，建立的外加WCP在Fe-C合金熔体内运动和分布的理论模型与试验结果基本吻合。 对试样微观组织及性能的系统分析表明：1)不同离心机转速下WCP/Fe-C梯度复合材料层内，WCP颗粒体积分数达到60～85vol.％。WCp/Fe-C复合材料层内，WCP颗粒体积分数沿厚壁环径向从外层到内层呈梯度降低，且WCP颗粒分布均匀。 2)WCP增强粒子与Fe-C合金基体结合界面平滑，无反应物生成。WCP颗粒表面部分由被高温Fe-C合金熔液溶解的迹象，局部WCP颗粒间有少量含W碳化物原位析出。复合材料芯部Fe-C合金基体被溶解的WCP颗粒不同程度的合金化。 3)采用离心铸造法制备的复合材料厚壁环，其外部WCP/Fe-C复合材料外层的力学性能达到了：抗拉强度318～380MPa；冲击韧性3.8～6.9J/cm2；硬度HRA80～85。复合材料的力学性能沿厚壁环试样径向也呈梯度分布。 4)厚壁环芯部Fe-C合金基体的抗拉强度和冲击韧性也分别达到420～486MPa和11.5～13.8J/cm2，硬度达到HRA73～75。 5)在1050℃和3000次冷热循环下，WCP/Fe-C复合材料的热疲劳裂纹长度达到了1.51～2.67mm。抗热疲劳性能均高于WC钴镍烧结硬质合金(热裂纹长度7.33mm)和高速钢(.热裂纹长度14.3mm)。 6)在20N和40N载荷下，80vol.％WCP的WCp/Fe-C梯度复合材料的抗磨粒磨损性(W-1)达到了206.19、127.06。这种梯度复合材料的抗磨粒磨损性(W-1)在相同磨粒磨损条件下，比WC钴镍烧结硬质合金(90％WC)和高速钢分别提高了0.96倍、0.89倍和5.1倍、4.6倍。 7)WCP-Fe-C梯度复合材料层内，WCP颗粒体积分数的增加有利于抗磨粒磨损性(W-1)的提高，80vol.％WCP的WCP/Fe-C梯度复合材料在两种磨损载荷下的抗磨粒磨损性(W-1)分别比70vol.％WCP梯度复合材料提高了1.27倍和1.22倍。 8)在不同的滑动速度下，WCP/Fe-C梯度复合材料表现出不同的耐磨性能(W-1)。在40m/s、60m/s、80m/s、100m/s滑动速度和50N、100N、150N、200N载荷的高速干滑动摩擦条件下，80vol.％WCP的WCp/Fe-C梯度复合材料的耐磨性能(W-1)是相同磨损条件下高速钢的5～27倍。但在较高速滑动速度(大于60m/s)和较大载荷(大于100N)条件下，低于WC钴镍烧结硬质合金(90％WC)。 9)高速干滑动摩擦条件下，WCP/Fe-C梯度复合材料的磨损为氧化磨损、剥层磨损和粘着磨损的综合机制。 试制的由WCP/Fe-C梯度复合材料外层和Fe-C合金芯部基体组成的复合结构辊环，在高速棒材生产线的精轧段轧制φ18～20mm棒材。在生产线上的试用表明，复合材料辊环的一次轧制量，即：两次修整辊环孔型间的轧制量7100～7300吨，略高于WC烧结硬质合金辊环(6800～7000吨)，使用寿命与WC硬质合金辊环相当，可代替WC硬质合金辊环和高速钢辊环，应用在高速线棒材热轧机精轧段和预精轧段。 经核算，采用由WCP/Fe-C梯度复合材料外层和Fe-C合金芯部基体组成的复合结构辊环替代WC烧结硬质合金辊环，成本可降低50％，按年产175万吨线(棒)材计算，需要辊环10000个，估计年节约辊环费用5千万元人民币，节约钴、镍战略物资约60余吨。离心法制备的WCP/Fe-C梯度复合材料辊环在高速棒材热轧机精轧段和预精轧段的成功使用填补了WCP/Fe-C梯度复合材料在高速线、棒材热轧领域中应用的国内外空白。经河南省科技厅组织的专家鉴定，该成果在同类技术中达到了国际先进水平。

目录

文摘

英文文摘

论文的创新点

第一章绪论

第二章Fe-C基功能梯度复合材料的制备及试验方法

第三章外加WCp颗粒在离心力场中迁移的理论模型

第四章Fe-C基功能复合材料的梯度结构

第五章Fe-C基复合材料的界面结构及基体合金化

第六章Fe-C合金基功能梯度复合材料组织与性能

第七章WCp/Fe-C复合材料磨损行为及磨损机理讨论

第八章Fe-C基功能梯度复合材料的工业应用

第九章主要结论

参考文献

作者在攻读博士学位期间公开发表的论文及所获得的成果

作者在攻读博士学位期间所主持的项目

致 谢