再生复合材料的组织与性能研究

摘要

本文通过对废旧的WCp/Fe-C基复合材料辊环进行重熔和离心铸造，制备了再生复合材料圆环试样，并利用相关性能测试仪器和微观分析设备研究其组织与性能，从而探讨重熔再生过程对再生复合材料的组织与性能的影响。
　　 实验结果表明：在离心浇注条件下，碳化钨颗粒在Fe-C合金液中向外侧偏聚而形成梯度功能复合材料厚壁圆环铸件，其外表面复合区厚度达到10-15mm，复合区内颗粒分布均匀，复合区硬度最高可达63.3HRC，芯部基体的冲击韧度最高可达6.9J/cm2。
　　 复合区内WC颗粒体积分数受离心转速影响，当离心机转速为780 r/min时，颗粒体积分数达到54 vol.[％]；离心机转速升高到920 r/min时，颗粒体积分数增加到70 vol.[％]左右；复合区内WC体积分数增加，试样的硬度升高，冲击韧性减小。理论分析表明：碳化钨颗粒相在粘性的熔体中向外侧迁移的速度与离心机旋转的角速度的平方成正比，即当离心机转速升高时，其旋转的角速度就大，导致颗粒向外迁移的速度急剧变大，从而有利于颗粒向外偏聚，这与实验结果相吻合。扫描电镜(SEM)观察表明：再生复合材料环外部复合区增强颗粒之间的基体内有少量短棒状碳化物相析出，芯部基体存在有许多细小的短棒状碳化物和鱼骨状的碳化物和球团状石墨相，Fe-C基体为针状贝氏体组织；在复合区与芯部之间的过渡区的基体组织内有许多尺寸较为粗大的雪花状碳化物和枝状碳化物析出。能谱(EDS)分析表明：碳化物析出相含有W、Fe、Ni等元素，基体组织中有W元素存在，说明了在重熔再生过程中碳化钨颗粒的表面被高温Fe-C合金液局部溶解而使得Fe-C合金液含有大量的W元素，在随后的凝固成型中又析出了含有W和其它合金元素的复式碳化物相，保留在基体中的的W元素使Fe-C合金基体高合金化，这将有利于改善再生复合材料厚壁环的综合物理机械性能。
　　 高速干滑动摩擦磨损试验表明：滑动速度对再生复合材料的摩擦磨损性能的影响作用最大，载荷的影响作用次之；在相同的载荷与滑动速度的作用下，再生复合材料的摩擦系数和磨损率均小于高速钢的摩擦系数和磨损率，即再生复合材料的高速磨损性能比高速钢优越。磨损形貌分析表明，在低滑动速度条件下，再生复合材料磨损机理主要是疲劳磨损，犁沟和“龟裂”，而当滑动速度较高时，其磨损机理主要是剥落、磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。