肖逸鋒,楊 燕,吳 靚,許艷飛,錢錦文,李浪浪,賀躍輝
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C、W摩爾比對(duì)真空燒結(jié)反應(yīng)合成WC-Fe耐磨材料組織和性能的影響
肖逸鋒1, 2,楊 燕1,吳 靚1,許艷飛1,錢錦文1,李浪浪1,賀躍輝3
(1. 湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 焊接機(jī)器人及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湘潭 411105;2. 湘潭大學(xué) 復(fù)雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心,湘潭 411105; 3. 中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083)
以鎢鐵和炭黑為反應(yīng)源,采用真空燒結(jié)法反應(yīng)制備不同(C)/(W)的WC-Fe耐磨材料。采用XRD、SEM、EDS、宏觀硬度與磨粒磨損等測(cè)試技術(shù),對(duì)比研究(C)/(W)對(duì)WC-Fe耐磨材料組織與性能的影響。結(jié)果表明:正常WC+兩相組織對(duì)應(yīng)的(C)/(W)范圍為1.1~1.3,(C)/(W)低于1.1時(shí),出現(xiàn)相;而(C)/(W)高于1.3時(shí),出現(xiàn)C相。隨著(C)/(W)在0.9~1.7之間增加,硬質(zhì)WC的含量與平均晶粒尺寸先顯著增加后緩慢變化,材料的密度、線收縮率與硬度逐漸下降,磨損質(zhì)量損失不斷增加。
鎢鐵;真空燒結(jié);原位合成;WC-Fe耐磨材料
在制備WC顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的過程中,微量C含量的波動(dòng)都會(huì)引起材料組織與性能的變化。在缺碳環(huán)境下,易產(chǎn)生脆性相(M6C或M12C型碳化物),使材料強(qiáng)度下降;在高碳環(huán)境下,易產(chǎn)生游離石墨相,破壞組織連續(xù)性[1]。為避免缺碳相與富碳相的不利影響,大量研究致力于探索理想WC+(Fe/Co/Ni-W-C固溶體)兩相組織所對(duì)應(yīng)的C含量區(qū)間。在各項(xiàng)條件相同的情況下,采用Fe做粘接相時(shí)獲取理想的WC+兩項(xiàng)組織、對(duì)應(yīng)的碳含量區(qū)間最窄;采用Co做粘接相時(shí),理想碳含量區(qū)間較寬;采用Ni做粘接相時(shí),理想碳含量區(qū)間最寬。而出現(xiàn)正常組織時(shí)合金含碳量在Ni粘結(jié)時(shí)較低,Co粘結(jié)時(shí)稍高,F(xiàn)e粘結(jié)時(shí)最高[2]。而對(duì)不同制備方法下的不同合金體系而言,則情況更加復(fù)雜。就加壓燒結(jié)WC-10Co-0.6Cr3C2而言,理想碳含量為5.41%~5.55% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))[3]。而Ni做粘接相的低壓燒結(jié)WC-6%Ni合金對(duì)應(yīng)的兩相區(qū)碳含量為6.03%~6.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[4]。氬弧熔覆反應(yīng)制備WC顆粒增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料時(shí),由于電弧對(duì)石墨的燒損使其最佳(C)/(W)為1.5[5]。此外,C含量還極大地影響WC顆粒的數(shù)量、形貌與分布、基體組織的成分與含量以及反應(yīng)制備各個(gè)階段的致密化過程,這都將對(duì)材料的組織與性能產(chǎn)生極大的影響[6?10]。采用鎢鐵和炭黑為反應(yīng)源制備WC-Fe耐磨材料具有成本低、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),但由于鎢與鐵的潤(rùn)濕性不如鎢與鈷,有關(guān)真空燒結(jié)一步原位合成制備WC-Fe耐磨材料的研究相對(duì)較少。
基于此,本文作者在以鎢鐵和炭黑為反應(yīng)源,采用真空燒結(jié)復(fù)合原位合成技術(shù),成功地制備了WC-Fe耐磨材料的基礎(chǔ)上,研究了(C)/(W)對(duì)其組織與性能的影響,為制備低成本W(wǎng)C-Fe 耐磨材料奠定基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)選用FeW-80(78.1%W,<40 μm,F(xiàn)eW-80的化學(xué)成分見表1)、炭黑(<5 μm)和鐵粉(<40 μm)為原材料,F(xiàn)eW-80和鐵粉的原始形貌見圖1。由圖1可知, FeW-80原始粉末中大小顆?;旌戏植迹☆w粒約5 μm,大顆粒高達(dá)40 μm,鐵粉的粒度較FeW-80偏大,整體在20~40 μm區(qū)間內(nèi)的分布居多。通過固定FeW-80的含量,即W的含量,改變碳含量來調(diào)節(jié)燒結(jié)材料的(C)/(W),制備(C)/(W)為0.9、1.1、1.3、1.5與1.7的試樣,并分別標(biāo)記為試樣1~5。
表1 FeW-80的化學(xué)成分
圖1 原始粉末的SEM像
將鎢鐵、炭黑與鐵粉的混合粉末置于球料質(zhì)量比為4:1的硬質(zhì)合金球磨罐中加無水乙醇濕磨24 h,再置于真空干燥箱中經(jīng)75 ℃保溫4 h,經(jīng)球磨過篩后獲取的混合粉末的形貌如圖2所示,對(duì)圖中點(diǎn)所示的亮白色物質(zhì)與點(diǎn)所示的深灰色物質(zhì)進(jìn)行EDS分析知:的成分為W 53.88、Fe 8.64、O 13.09、C余量(摩爾分?jǐn)?shù),%),的成分為Fe 34.74、O 17.65、C余量(摩爾分?jǐn)?shù),%),可見亮白色物質(zhì)為富W相,深灰色物質(zhì)為富Fe相。部分富W相以大顆粒形式存在,其粒徑相較于原始大顆粒FeW-80粉末略有減小,但也達(dá)30 μm左右,而富Fe相較原始鐵粉顯著細(xì)化,且以包裹大顆粒富W相或者小顆粒的形式存在。而不同物質(zhì)中的O來源于混合粉末制備過程中的氧化。最后將預(yù)制粉末置于尺寸為70 mm×31mm的模具中進(jìn)行壓塊,并將壓坯放入真空燒結(jié)爐中,按工藝升溫至1400℃保溫1 h后隨爐冷卻。
采用D/MAX2500型X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相測(cè)定;采用JSM?6360LV型掃描電子顯微鏡(帶Oxford7854電子能譜儀)進(jìn)行材料的顯微組織分析與微區(qū)成分探測(cè);利用Image-Pro Plus分析材料的晶粒尺寸;采用阿基米德排水法測(cè)量樣品的密度;采用HR-150A的洛氏硬度計(jì)測(cè)量樣品的宏觀硬度值(加載載荷為147 N);采用MLS-23型濕沙橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣的耐磨性能,試樣尺寸為57 mm× 25 mm×5 mm,磨料質(zhì)量為1.5 kg,圓盤轉(zhuǎn)速為220 r/min,磨損程度為1000 r,施加載荷為24.5 N。
圖2 球磨后混合粉末的SEM像
圖3所示為燒結(jié)試樣1~5的XRD譜。從圖3中可以看出,各試樣主要由WC和-Fe組成,且WC的衍射峰隨(C)/(W)的增大而增強(qiáng)。當(dāng)(C)/(W)低于1.1時(shí),試樣中還存在Fe3W3C相,且其衍射峰隨(C)/(W)的增大而減弱;當(dāng)(C)/(W)由1.1增大到1.3時(shí),經(jīng)歷了Fe3W3C逐漸消失而微量石墨相開始出現(xiàn)的過程,因此有望通過在該區(qū)間內(nèi)調(diào)整(C)/(W)來獲取WC與-Fe的兩相組織;進(jìn)一步增加(C)/(W),石墨相的含量增多。這表明在較低的(C)/(W)條件下,沒有足量的C來補(bǔ)充其耗損,故構(gòu)成缺碳環(huán)境而生成相,但本實(shí)驗(yàn)條件下的缺碳程度并不嚴(yán)重,故形成的是Fe3W3C而不是缺碳程度更嚴(yán)重的Fe6W6C;隨著(C)/(W)增加,C量充足而促進(jìn)WC的形核與長(zhǎng)大,但C量過剩便會(huì)以石墨相的形式存在,故在(C)/(W)從1.1增大到1.3時(shí),F(xiàn)e3W3C逐漸消失,且微弱石墨峰開始出現(xiàn)。進(jìn)一步增加(C)/(W),碳量嚴(yán)重富余而使石墨相劇增[11]。
圖3 不同C、W摩爾比燒結(jié)試樣的XRD譜
圖4所示為燒結(jié)試樣1~5的SEM像。圖4(a)所示為樣品1的低倍組織,其顯微組織由數(shù)量較多的亮白色顆粒物質(zhì)、孔徑較小且呈圓形的黑色孔隙以及連續(xù)的深灰色物質(zhì)組成。其中亮白色顆粒物質(zhì)包含兩種類型,一類粒徑較大且邊界圓滑,另一類粒徑較小且邊界棱角分明。對(duì)圖4(f)中的、、3點(diǎn)進(jìn)行能譜分析,其結(jié)果如表2所示。從表2分析可知,點(diǎn)所示的粒徑較小且邊界棱角分明的物質(zhì)中,W的摩爾分?jǐn)?shù)為31.3%,結(jié)合圖3的XRD結(jié)果知,其為反應(yīng)生成的WC;點(diǎn)所示的物質(zhì)中Fe、W的摩爾分?jǐn)?shù)接近1,結(jié)合XRD譜的結(jié)果知,此類粒徑較大且邊界圓滑的物質(zhì)為反應(yīng)生成的Fe3W3C;深灰色的C物質(zhì)以Fe元素為主,包含少量W、C元素,其為固溶強(qiáng)化的基體組織。表明當(dāng)C含量較低,即(C)/(W)較小時(shí),小顆粒WC數(shù)量較多,且彌散分布于基體,而伴隨生成的相Fe3W3C也占據(jù)了一定比例,并與WC混雜分布構(gòu)成材料的增強(qiáng)體。圖4(b)所示為樣品2的顯微組織,對(duì)比圖4(a)可知,當(dāng)(C)/(W)增加到1.1時(shí),WC顆粒數(shù)量增多,分布更加均勻,而Fe3W3C相數(shù)量減少,分布均勻程度下降。這是由于在燒結(jié)時(shí),F(xiàn)e基中固溶了一定量的W,同時(shí)還有少量的C,原子半徑較小的C向W進(jìn)行擴(kuò)散形成WC,同時(shí)消耗大量的C,在燒結(jié)體內(nèi)形成易于相Fe3W3C形成的缺C環(huán)境。但在WC++的成分范圍內(nèi),隨著C含量的增加,F(xiàn)e3W3C的總量減少[12]。
圖4 不同C、W摩爾比燒結(jié)試樣的SEM像
表2 圖4(f)中各點(diǎn)的EDS成分測(cè)試結(jié)果
圖4(c)、(d)與(e)所示分別為(C)/(W)為1.3、1.5與1.7的樣品的顯微組織。從圖4(c)、(d)和(e)中可以看出,WC是主要的顆粒增強(qiáng)相,沒有觀測(cè)到Fe3W3C相。當(dāng)(C)/(W)為1.3時(shí),呈典型三角形、四邊形形態(tài)的WC顆粒彌散分布于基體,但部分顆粒間開始出現(xiàn)極少數(shù)黑色物質(zhì),經(jīng)分析這是富余的石墨相,但含量極少。這是由于C含量略高于W的碳化需要消耗的C,剩余的C在組織內(nèi)原位殘余,形成黑色的石墨相[13]。隨著(C)/(W)增加,殘余的石墨相也越來越多,尤其當(dāng)(C)/(W)達(dá)1.7時(shí)(見圖4(e)),石墨相的面積較大,已嚴(yán)重割裂基體而影響到組織的連續(xù)性。
就本反應(yīng)體系而言,WC是最主要的顆粒增強(qiáng)相。圖5所示為不同(C)/(W)條件下不同晶粒尺寸WC的體積分?jǐn)?shù)與WC的平均晶粒尺寸。由圖5可知,原位合成的WC主要分布在1.3~2.5 μm與2.5~6.0 μm兩個(gè)尺寸區(qū)間內(nèi)。隨著(C)/(W)增加,1.3 ~2.5 μm尺寸區(qū)間內(nèi)的WC顆粒數(shù)量增多,雖然在(C)/(W)達(dá)1.7時(shí),其體積分?jǐn)?shù)有所降低,但2.5~6.0 μm尺寸區(qū)間內(nèi)的WC顆粒數(shù)量增多。綜合考慮兩種粒徑較大的WC,其總體積分?jǐn)?shù)由75%上升至90%左右,這說明高的(C)/(W)促進(jìn)WC長(zhǎng)大。WC平均晶粒尺寸隨(C)/(W)增加而增加,然后再趨于穩(wěn)定的變化過程也從另一方面說明了這一點(diǎn)。
圖5 不同晶粒尺寸WC的體積分?jǐn)?shù)與WC的平均晶粒尺寸
C極大地影響燒結(jié)體中液相出現(xiàn)的時(shí)間及其數(shù)量,從而影響燒結(jié)的各個(gè)過程。從理論上講,高碳使合金的共晶點(diǎn)降低,也就是說碳含量高時(shí)在相同的燒結(jié)溫度下相應(yīng)地增加了液相量并延長(zhǎng)了液相保持時(shí)間。在本反應(yīng)體系中,隨著(C)/(W)的增大,液相數(shù)量增多且存在時(shí)間變長(zhǎng)。一方面,高溫下W、C原子擴(kuò)散速度加快,W、C不斷沿WC邊界析出,使WC顆粒長(zhǎng)大;另一方面,WC顆粒在液相中不斷地調(diào)整位向,使WC沿著最有利于長(zhǎng)大的位向進(jìn)行生長(zhǎng)。但當(dāng)(C)/(W)達(dá)1.3后再繼續(xù)增大其比例,WC顆粒尺寸變化不大反而還略有減小,是由于殘余的石墨相阻礙WC晶粒在基體中的移動(dòng),相應(yīng)地阻礙了其生長(zhǎng)[1]。
圖6所示為不同(C)/(W)條件下燒結(jié)試樣的密度與相對(duì)密度變化曲線。由圖6可以看出,隨著(C)/(W)增大,材料密度下降。當(dāng)(C)/(W)較小時(shí),材料密度最大,高達(dá)11.73 g/cm3;增大(C)/(W)到1.3,材料密度雖有所降低,但整體居于11.00 g/cm3以上;繼續(xù)增大(C)/(W),材料密度顯著下降,尤其是(C)/(W)達(dá)1.7時(shí),材料的密度降至8.88 g/cm3。當(dāng)(C)/(W)小于1.5時(shí),材料的相對(duì)密度均大于100%,且其值隨著(C)/(W)的增加而先增大后降低,當(dāng)(C)/(W)增大到1.7時(shí),相對(duì)密度降至95%左右。表3為相對(duì)應(yīng)的各燒結(jié)試樣沿長(zhǎng)度方向與寬度方向的線收縮率,不難發(fā)現(xiàn),其與材料密度呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。當(dāng)(C)/(W)較低時(shí),材料沿兩個(gè)維度的收縮都比較大,收縮率多集中在17%~18%;當(dāng)(C)/(W)較高時(shí),材料沿兩個(gè)維度的收縮仍比較均勻,但收縮率迅速下降,最終降至14%左右。
圖6 C、W摩爾比對(duì)燒結(jié)試樣密度與相對(duì)密度的影響
表3 燒結(jié)試樣沿長(zhǎng)度方向與寬度方向的線收縮率
由圖4的分析可知,本體系材料在(C)/(W)較小時(shí),其組織中基本未見孔隙,而隨著(C)/(W)增大,逐漸出現(xiàn)石墨相,且其相對(duì)體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。一方面,密度極低的石墨含量增加,致使材料的密度降低;另一方面,石墨含量增加,石墨相對(duì)富余,石墨相會(huì)殘留而使得材料的燒結(jié)收縮顯著下降,其密度自然也顯著下降。而就相對(duì)密度而言,無論是W、C在Fe基中固溶形成相和相,還是C在W中固溶形成WC,在不考慮質(zhì)量損失的情況下合金的體積是明顯減小的,從而導(dǎo)致其實(shí)際密度明顯高于理論密度而使相對(duì)密度大于100%。當(dāng)(C)/(W)從0.9增大到1.3時(shí),原位合成WC不斷增多,由此引起的體積縮小作用增強(qiáng),故相對(duì)密度越來越大;當(dāng)(C)/(W)達(dá)1.5時(shí),一定數(shù)量的石墨相抵消了部分由原子固溶引起的體積縮小作用,相對(duì)密度有所下降,但仍高于100%;而當(dāng)(C)/(W)達(dá)1.7時(shí),大片石墨相嚴(yán)重削弱體積縮小作用,材料的實(shí)際密度低于其理論密度,故相對(duì)密度降至95%左右。
圖7所示為不同(C)/(W)燒結(jié)試樣的硬度與磨損質(zhì)量損失曲線。由圖7可以看出,隨著(C)/(W)增加,材料的硬度呈現(xiàn)下降的變化規(guī)律。當(dāng)(C)/(W)低于1.3時(shí),硬度下降緩慢,整體保持在50HRC左右;當(dāng)(C)/(W)增大到1.5時(shí),硬度下降趨勢(shì)變大;繼續(xù)增大(C)/(W),材料硬度急劇下降。這是由于當(dāng)(C)/(W)較低時(shí),反應(yīng)生成的WC++的三相組織中,硬質(zhì)WC顆粒本身就具有很高的硬度,而伴隨產(chǎn)生的相也是一種致密相,WC顆粒與相混雜著彌散分布于基體,使材料的硬度保持在較高的水 平[14?15]。而當(dāng)(C)/(W)較高時(shí),反應(yīng)生成的WC++C的三相組織中,雖然WC的硬度很高,但殘余的石墨相割裂基體,降低組織的連續(xù)性,從而嚴(yán)重影響材料的硬度。材料的磨損質(zhì)量損失與硬度呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律,即隨著(C)/(W)的增加,材料的磨損質(zhì)量損失呈現(xiàn)上升的變化規(guī)律。當(dāng)(C)/(W)為0.9與1.1時(shí),材料的磨損失重較小,磨損量不超過0.02 g,耐磨性能較好;而隨(C)/(W)的增加,材料的磨損質(zhì)量損失增加,尤其是(C)/(W)達(dá)1.7時(shí),磨損量高達(dá)0.11 g,耐磨性能急劇惡化。
圖7 C、W摩爾比對(duì)燒結(jié)試樣硬度與磨損質(zhì)量損失的影響
圖8所示為相同實(shí)驗(yàn)條件下Q235鋼與不同(C)/(W)燒結(jié)試樣相對(duì)耐磨性的對(duì)比。由圖8可以看出,各燒結(jié)試樣的耐磨性相較于Q235而言都有不同程度的提高,這主要得益于硬質(zhì)顆粒與合金元素的強(qiáng)化作用。就軟質(zhì)的Q235而言,當(dāng)硬質(zhì)磨粒在橡膠輪的帶動(dòng)下不斷對(duì)其表面進(jìn)行切削的時(shí)候,必然會(huì)損失掉相當(dāng)一部分材料,耐磨性較差。而對(duì)本燒結(jié)試樣而言,一方面,基體固溶了大量W、C原子,其抵抗切削的能力大大增強(qiáng);另一方面,硬質(zhì)WC顆粒彌散分布于基體,極大地削弱了硬質(zhì)磨粒的切削作用,故而耐磨性較好。但(C)/(W)較低時(shí),致密相與WC顆粒協(xié)同增強(qiáng),使材料的相對(duì)耐磨性較高,最高可達(dá)Q235的49倍。而(C)/(W)較高時(shí),殘余C相影響組織連續(xù)性,進(jìn)而降低材料的相對(duì)耐磨性,當(dāng)(C)/(W)由1.1上升到1.3時(shí),其相對(duì)耐磨性下降了22倍,且這樣的影響隨(C)/(W)的增加而加劇。
圖8 Q235鋼和不同C、W摩爾比燒結(jié)試樣的相對(duì)耐磨性
1) 以鎢鐵和炭黑為反應(yīng)源,以鐵為粘接相,采用真空燒結(jié)復(fù)合原位合成技術(shù),可以成功地制備WC-Fe耐磨材料。當(dāng)碳鎢原子比較低,即(C)/(W)為0.9~1.1時(shí),材料的組織為WC++三相組織,相隨(C)/(W)的增大而減少;當(dāng)碳鎢摩爾比較高,即(C)/(W)在1.3~1.7之間變化時(shí),對(duì)應(yīng)的材料的組織為WC++C三相組織,C相隨(C)/(W)的增大而增多。因此有望通過在1.1~1.3之間調(diào)整(C)/(W)來獲取理想的WC+兩相組織。
2) 在反應(yīng)體系中,隨著(C)/(W)增大,粒徑較大的WC的體積分?jǐn)?shù)不斷增加,而WC的平均晶粒尺寸則先顯著增加后緩慢變化。
3) 低(C)/(W)時(shí),致密的相與WC顆?;祀s增強(qiáng)基體,使材料具有較高的硬度與良好的耐磨性;高(C)/(W)時(shí),殘余的石墨相割裂基體,降低組織的連續(xù)性,惡化材料的硬度與耐磨性能。
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Effect of molar ratio of C and W on microstructure and properties of in-situ synthesized WC-Fe wear resistant materials by vacuum sintering
XIAO Yi-feng1, 2, YANG Yan1, WU Liang1, XU Yan-fei1, QIAN Jin-wen1, LI Lang-lang1, HE Yue-hui3
(1. Key Laboratory of Welding Robot and Application Technology of Hunan Province, School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 2. Engineering Research Center of Complex Tracks Processing Technology and Equipment, Ministry of Education, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 3. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)
The in-situ synthesized WC-Fe wear resistant materials with different molar ratios of C to W were prepared by vacuum sintering using ferrotungsten and carbon black as reaction source. The effects of molar ratios of C and W on microstructure and properties were studied by XRD, SEM, EDS, macro-hardness tester and abrasive wear testing technology. The results show that when the molar ratios of C to W of the materials varies from 1.1 to 1.3, the materials have a normal two-phase structure. The molar ratios of C to W of the materials is lower than 1.1, thephase appears, as when molar ratios of C to W is higher than 1.3, the C phase appears. The content and the average grain size of hard WC observably increase and then change slowly with molar ratios of C and W increase. The density, linear shrinkage and hardness of the material gradually decrease with molar ratios of C and W increase. And the wear mass loss constantly increases with increasing molar ratios of C to W.
ferrotungsten; vacuum sintering; in-situ synthesis; WC-Fe wear resistant material
Project(51271158) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(17A204) supported by the Research Foundation of Education Bureau of Hunan Province, China; Project supported by Innovative Experimental Program for College Students of Hunan Province, China
2017-06-05;
2018-01-20
WU Liang; Tel: +86-731-58292214; E-mail: csuwuliang0830@aliyun.com
10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.07.07
1004-0609(2018)-07-1328-07
TG135
A
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51271158);湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(17A204);湖南省大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目
2017-06-05;
2018-01-20
吳 靚,副教授,博士;電話:0731-58292214;E-mail:csuwuliang0830@aliyun.com
(編輯 李艷紅)