FeWB基复合材料及其涂层组织与磨损性能研究

发布时间：2020-10-20 23:04

　　 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%。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

图１．２重塔技术示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??１．４．２激光重熔技术??激光重熔技术［５５：ｌ是指经高能量密度的激光束照射待重熔涂层使其重新熔化，??并快速凝固，形成稀释低，与基体材料呈冶金结合的涂层，从而改善组织缺陷，??提高材料性能的工艺方法。特点：激光熔覆技术可以通过控制激光束的热量输??来减少基体对涂层的稀释作用，热影响区较小，使所形成的涂层的性能接近??覆材料的性能；快速凝固，使涂层晶体颗粒细小，组织致密性好，有较高的硬??、耐磨性和耐腐蚀性等；激光重熔过程易于实现自动化。??．４．３等离子重熔技术??等离子重熔技术［５６］是以水冷体系的喷嘴为利用对象，对电弧形成约束的影??，把转移弧作为热量来源从而获得具有高能量密度的等离子束，再对待重熔??层进行作用获得高性能涂层的方法。等离子重熔设备具体工作过程１５７１是以喷??

光器的重熔作用，组织中的微缺陷出现了明显的下降，其典型的组织形貌图如??图所示，在图中可以看到在等离子喷涂涂层中存在明显的未熔合区、未熔颗粒、??反应气孔和界面缺陷；通过图１．３（ｂ）可以看出经过激光重熔后的组织缺陷明显减??少，孔洞下降。??图１．３未重熔和重熔ＷＣ／Ｃｏ涂层组织形貌图??Ｆｉｇ．１．３?Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｎｏｎ－ｒｅｍｅｌｔｅｄ?ａｎｄ?ｒｅｍｅｌｔｅｄ?ＷＣ／Ｃｏ?ｃｏａｔｉｎｇｓ??王东生等Ｍｌ通过激光重熔处理等离子喷涂纳米Ａｌ２０３－１３ｗｔ．％Ｔｉ０２复合陶瓷??涂层，研究了重熔对于涂层组织结构、硬度和耐磨性的影响。结果表明，激光重??熔后的涂层组织变得致密，出现了分层结构，包括重熔区、烧结区和残余等离??子喷涂区，其中重熔区形成细小的等轴晶，重熔涂层表面硬度显著提高，截面??硬度由重熔区、烧结区和残余等离子喷涂区的方向梯度降低，另外，由于重熔??涂层中细小等轴晶中纳米粒子的钉扎位错作用，涂层具有很高的軔性和结合强??９??

２．１．１原始粉末??根据试验设计，在实验过程中所用的材料包括Ｗ粉、Ｂ４Ｃ粉、纯Ｆｅ粉、??Ｆｅ－Ｂ合金粉。表２．１和图２．１分别给出了在本文中使用的所有原始粉末粒度、??纯度和形貌。Ｆｅ－Ｂ合金粉化学成分如表２．２所示。??表２．１实验所用粉末粒度和纯度??Ｔａｂ．?２．１?Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｓｉｚｅ?ａｎｄ?ｐｕｒｉｔｙ?ｏｆ?ｐｏｗｄｅｒｓ??Ｓ?粒度（＿?Ｍ?Ｓ??Ｗ?３０－６０?＞９９．８％?中洲合金材料有限公司??Ｂ４ｃ?４０－７０?＞９４％?牡丹江前进碳化硼有限公司??Ｆｅ?３０－７０?＞９９．４％?中洲合金材料有限公司??Ｆｅ－Ｂ?８０－１２０?＞９９．
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本文编号：2849281