【摘要】：隨著經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展,對現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)材料性能的要求越來越高,越來越多樣化。針對國家工程、礦山、建材機械和材料成型等領(lǐng)域?qū)ο冗M鋼基復(fù)合材料的共性重大需求和先進鋼基復(fù)合材料的國內(nèi)外發(fā)展趨勢,本文以克服制約國內(nèi)先進鋼基復(fù)合材料制備的科學(xué)瓶頸問題為出發(fā)點,將現(xiàn)有的電冶熔鑄工藝方法加以改進聯(lián)合研制出復(fù)合電冶熔鑄的新工藝,制造出大體積、低成本、高性能的WC顆粒增強鋼基復(fù)合材料。本文通過調(diào)整WC顆粒尺寸(50μm和100μm)和含量(25%、35%和45%),采用復(fù)合電冶熔鑄工藝制備了四種WC顆粒增強鋼基復(fù)合材料,以及5Cr Ni Mo鋼。鑄造后的材料經(jīng)退火和鍛造處理。選擇950℃、1000℃、1050℃三種加熱淬火溫度,180℃、220℃和300℃三種回火溫度,共計六種工藝對復(fù)合材料進行熱處理。通過對WC顆粒增強鋼基復(fù)合材料的顯微缺陷、表面成分、微觀組織、硬度、彈性模量、斷裂韌性、沖擊韌度、斷口形貌、WC形態(tài)、熱疲勞裂紋、摩擦系數(shù)、磨損率等進行了測試研究,評價WC顆粒增強鋼基復(fù)合材料的顯微組織、微觀結(jié)構(gòu)、增強相分布形態(tài)、界面性能、表面力學(xué)性能、彎曲性能、沖擊性能、熱疲勞性能和二體磨損以及三體磨損的滑動摩擦學(xué)性能。通過本文的試驗研究和理論分析,得出了以下主要結(jié)論:復(fù)合電冶熔鑄工藝具有高能球磨混粉均勻、電渣重熔精煉凈化、電磁攪拌顆粒分散、水冷結(jié)晶逐層快速凝固等特點,制備的WC顆粒增強鋼基復(fù)合材料孔隙少、致密高、無夾雜,WC顆粒分布均勻,具有很少的缺陷。WC顆粒增強鋼基復(fù)合材料熔鑄原始態(tài)的顯微組織主要由馬氏體、殘余奧氏體、共晶萊氏體和各類碳化物組成。通過退火處理,長條狀碳化物溶解或部分溶解在鋼基體中,大塊狀碳化物分解細(xì)化。再經(jīng)鍛造處理,熱穩(wěn)定性較高的樹枝晶、骨骼狀和魚骨狀共晶組織碎化。選擇淬火溫度在1000℃附近,可在保證一定的強硬性同時,提升材料的綜合性能。低溫回火時復(fù)合材料的組織轉(zhuǎn)變主要是鋼基體的組織轉(zhuǎn)變,包括基體內(nèi)碳的偏聚、馬氏體的分解、殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變和碳化物的析出與偏聚球化。顯微組織主要由隱晶回火馬氏體、碳化物及殘余奧氏體組成。存在的碳化物類型主要為原始WC顆粒、較大的Fe3W3C團塊狀顆粒、Fe3W3C或M7C3枝晶狀碳化物、彌散分布的Fe3W3C或M23C6二次碳化物。選擇220℃附近回火,在保證強硬性同時,將獲得更佳的組織。WC晶粒的溶解會使WC晶粒的棱角鈍化,白色的大顆粒WC周圍包裹著一圈Fe3W3C的黑色條帶,增加WC與鋼基體間的結(jié)合強度。EBSD和EDS分析得出,經(jīng)高溫淬火和低溫回火后,該復(fù)合材料的大角度晶界大幅提高,晶粒尺寸顯著變小,晶粒分布均勻化,產(chǎn)生細(xì)晶強化的作用。Cr元素主要分布在鋼基體中較大晶粒處,而Ni元素則主要分布在較小的晶粒處。復(fù)合材料的洛氏硬度在950℃到1050℃淬火時達到HRC 60~66,出現(xiàn)先上升后下降的波動。對比基體和中小塊WC顆粒聚集區(qū),大塊硬質(zhì)相的顯微硬度變化幅度較小。熱處理后鋼基體的納米硬度和彈性模量均有所提高,WC顆粒的測量值變化不大。復(fù)合材料的抗彎強度在950℃到1050℃淬火時達到1600~1650MPa,滿足使用要求,并出現(xiàn)先上升后下降的波動。在鍛造退火狀態(tài)下,彎曲斷口為準(zhǔn)解理+韌窩的復(fù)合斷口。淬火回火態(tài)時,復(fù)合材料表現(xiàn)出解理斷裂+部分基體韌窩的斷裂機制。25%粗顆粒WC復(fù)合材料具有較高的沖擊韌度,熱處理后達到14 J/cm2。WC含量越多,沖擊斷口的韌窩越少,逐漸從準(zhǔn)解理過渡到解理斷裂。而WC顆粒尺寸越大,WC顆粒越容易發(fā)生解理斷裂。通過Sierpinski分維數(shù)的測量與計算方法進行分形研究,結(jié)果表明WC的分維數(shù)隨熱處理工藝的改變呈現(xiàn)不同的變化。高溫淬火并回火時,WC的分維數(shù)由兩條不同斜率的直線表示,出現(xiàn)兩個WC的分維值,WC存在兩組粒度與數(shù)量都不同的分形結(jié)構(gòu),其對應(yīng)的WC顆粒區(qū),有著不同的成分和組織結(jié)構(gòu)。分維差值△D較大的對應(yīng)為Fe3W3C復(fù)式碳化物,而分維差值△D較小的,則對應(yīng)的WC顆粒形貌保留了鍛造退火態(tài)時的性能和形態(tài)。淬火溫度或回火溫度越高,分維差值△D越大,WC的形貌變化越大。熱疲勞裂紋孕育期較短,裂紋在V型缺口根部萌生熱疲勞裂紋,其主要以一條主裂紋的形式呈不連續(xù)、間斷性擴展。主裂紋的擴展方式主要為沿碳化物與鋼基體界面擴展、穿過WC大顆粒和團塊狀碳化物擴展、沿網(wǎng)狀碳化物鏈擴展、穿越WC小顆粒聚集區(qū)擴展、穿過魚骨狀碳化物擴展和穿越鋼基體擴展。裂紋在試樣表面擴展的主要形態(tài)為直線型、折線型或梯形、圓弧型以及分叉型,并發(fā)現(xiàn)“搭橋”型裂紋。熱循環(huán)次數(shù)較多時,鋼基體發(fā)生循環(huán)軟化效應(yīng),降低了材料的熱疲勞抗力。復(fù)合材料中,隨著WC含量或顆粒度在一定范圍內(nèi)增大,摩擦系數(shù)呈提高的態(tài)勢。二體磨損時,在1000℃淬火+180℃回火時,45%粗顆粒WC復(fù)合材料的耐磨性最好。磨損機制為磨粒磨損和氧化磨損。三體磨粒磨損時,摩擦系數(shù)在磨合期內(nèi)呈現(xiàn)出更大的跳躍性,且磨合期比二體磨損更為延長。在950℃淬火+180℃回火時,45%粗WC復(fù)合材料的耐磨性最好。在二體磨損的環(huán)境下服役使用將發(fā)揮該復(fù)合材料的最佳耐磨性能。三體磨損的主要磨損機制為多次塑變或微觀壓入導(dǎo)致的變形層的疲勞斷裂機制。綜上所述,在一定的范圍內(nèi),WC顆粒度越大,含量越高,則復(fù)合材料硬度越高,抗彎強度越低,抗沖擊能力越差,而抗二體磨損和三體磨粒磨損性能越好。選擇在1000℃附近加熱淬火,220℃左右回火的45%粗顆粒WC復(fù)合材料可以獲得較佳的組織結(jié)構(gòu)和較優(yōu)的綜合性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB333

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本文編號：2372396