澆注方式對WCp/Fe復(fù)合材料耐磨性能的影響

李鐵功　馬國彬　王娟　李鑫　譚建波

摘 要：為了探尋更適合當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用的耐磨材料成型方法，采用消失模鑄造工藝制備了WCp/Fe復(fù)合材料，研究了澆注方式對復(fù)合材料硬度和耐磨性的影響。結(jié)果表明：添加不同粒徑的WC顆粒后，頂注、縫隙式澆注、底注3種澆注方式制備的復(fù)合材料試樣硬度和耐磨性都得到了明顯提高;與頂注和底注2種澆注方式的充型過程相比，縫隙澆注的充型過程較為平穩(wěn)，所得試樣的硬度及耐磨性較高，硬度及耐磨性隨著試樣中添加WC顆粒粒徑的減小而升高;試樣中添加WC顆粒粒徑為5.5 μm（2 500目）時(shí)，硬度達(dá)到HRC 50，耐磨性提高了2.21倍。不同澆注方式下制備復(fù)合材料試樣硬度和耐磨性能的變化結(jié)果，可為消失模鑄造WCp/Fe復(fù)合材料的工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料;消失模鑄造工藝;澆注方式;WC顆粒粒徑;性能

中圖分類號(hào)：TG146.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.7535/hbkd.2020yx03010

Effect of pouring method on wear resistance of WCp/Fe composites

LI Tiegong1， MA Guobin1，2， WANG Juan3， LI Xin3， TAN Jianbo1，2

（1.School of Material Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang，? Hebei 050018， China; 2.Hebei Key Laboratory of Material Near-net Forming Technology，Shijiazhuang， Hebei 050018， China;3.Tangshan Caofeidian Jidong Equipment Mechanical Foundry Company Limited， Tangshan， Hebei 063200， China）

Abstract：

In order to find a more suitable wear-resistant material forming method for current industrial applications， WCp/Fe composites were prepared by the lost foam casting process， and the effects of the pouring method on the hardness and wear resistance of composites were studied. The results show that the hardness and wear resistance of the composite samples prepared by top pouring， gap pouring and bottom pouring are improved significantly after adding WC particles of different sizes. Compared with the filling process of top pouring and bottom pouring， the filling process of gap pouring is more stable， the hardness and wear resistance of the samples are higher， and the hardness and wear resistance of the samples increase with the decrease of WC particle size. When the WC particle size is 5.5 μm（2 500 mesh）， the hardness reaches HRC 50， and the wear resistance increases by 2.21 times. The changes of hardness and wear resistance of the composite samples prepared by different pouring methods can provide a reference for the industrial production and application of WCp/Fe composites in lost foam casting.

Keywords：

metal matrix composites; lost foam casting process; pouring method; WC particle size; properties

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)耐磨材料已滿足不了當(dāng)前的應(yīng)用需求，急需推出易于批量生產(chǎn)、性能更好的新型耐磨材料。近年來在冶金設(shè)備、水泥及礦山機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有耐磨、耐高溫等特點(diǎn)[1-7]，其主要制備方法有粉末冶金法、噴射沉積法、液態(tài)金屬浸滲法、攪拌鑄造法及消失模鑄造法等[8-12]。粉末冶金法、噴射沉積法的生產(chǎn)成本較高;對于液態(tài)金屬浸滲法而言，由于受預(yù)制體和浸滲工藝的限制，難以制備形狀復(fù)雜、整體復(fù)合的鑄件;攪拌鑄造法中，加入陶瓷增強(qiáng)顆粒與金屬液均勻混合的條件限制較多[13-15];消失模鑄造法是一種成本低、效率高、易于規(guī)?；a(chǎn)的鑄造工藝，但目前主要應(yīng)用于表面復(fù)合材料的制備，研究消失模鑄造法制備整體復(fù)合材料具有一定的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。本文采用消失模鑄造工藝制備WC顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料，研究不同澆注方式下添加不同粒徑WC顆粒對鑄件硬度及耐磨性的影響，為工業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料及方法

分別將體積分?jǐn)?shù)為8%、粒徑為23 μm（600目）、13 μm（1 000目）、9 μm（1 500目）、6.5 μm（2 000目）、5.5 μm（2 500目）的WC增強(qiáng)顆粒（純度≥99.7%），與粒徑為1～2 mm（質(zhì)量密度為22 kg/m3）的EPS珠粒、以及質(zhì)量濃度為0.2 g/mL的A型黏結(jié)劑，在攪拌機(jī)中以120～200 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30～50 s至EPS珠粒表面均勻覆有WC顆粒，然后將混合珠粒吹入模具，在110～130 ℃高溫水蒸氣下蒸制3～5 min，成型冷卻后出模，制備若干個(gè)尺寸為30 mm×30 mm×60 mm的長方體試樣模樣及直徑為350 mm、厚度為25 mm的渣漿泵后護(hù)板件模樣，試樣、后護(hù)板件模樣如圖1所示。

將試樣模樣組合為封閉式的頂注、縫隙式澆注和底注3種澆注系統(tǒng)，后護(hù)板模樣組合為封閉式的縫隙澆注系統(tǒng)。刷涂料并烘干后，用同一爐鐵水在充型速度為25 mm/s、澆注溫度為1 440～1 470 ℃、負(fù)壓度為0.04～0.05 MPa的工藝條件下澆注高鉻鑄鐵液（成分見表1）。澆注得到的試樣、后護(hù)板件如圖2所示，冷卻清理后得到復(fù)合材料鑄件。對鑄件進(jìn)行熱處理，加熱升溫至850 ℃后保溫6 h，經(jīng)出爐空冷得到正火態(tài)WCp/Fe復(fù)合材料。清理試樣后，采用電火花線切割，將所需試樣的中部區(qū)域切割同等尺寸的小試樣，研磨拋光分析復(fù)合材料的微觀組織并測量硬度及耐磨性，對后護(hù)板件在圖2中標(biāo)注位置，取樣測量硬度及耐磨性能。組合澆注系統(tǒng)見圖3。

硬度采用型號(hào)為THR-150洛氏硬度計(jì)測量;相對耐磨性采用自制模擬鑄件使用狀況的沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。用粒徑為420 μm（40目）的石英砂與水1∶1（質(zhì)量比）混合配制沖蝕磨損漿料，將顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料試樣和未經(jīng)顆粒增強(qiáng)的基體試樣夾持在轉(zhuǎn)盤上，以1 425 r/min的轉(zhuǎn)速在漿料筒內(nèi)沖蝕磨損4 h，取出試樣后采用超聲波清洗并烘干，測量失重情況。以未添加增強(qiáng)顆粒的基體試樣磨損量來衡量顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料試樣的耐沖蝕磨損性能，計(jì)算方法見式（1）。

相對耐磨性=T2-T1M2-M1??? ，????????????????? （1）

式中：T2為未加WC增強(qiáng)顆粒試樣初始質(zhì)量;T1為未加WC顆粒試樣磨損后質(zhì)量;M2為添加WC增強(qiáng)顆粒試樣初始質(zhì)量;M1為添加WC顆粒試樣磨損后的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 WC顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的微觀組織

為了更好地分析WCp/Fe復(fù)合材料的強(qiáng)化作用，進(jìn)行WCp/Fe復(fù)合材料的顯微組織分析。圖5是WC增強(qiáng)顆粒粒徑為23 μm時(shí)底注試樣的正火態(tài)顯微組織，圖6為圖5試樣在掃描電鏡下1 000倍、5 000倍的局部微觀組織。通過觀察顯微組織發(fā)現(xiàn)，基體組織主要為奧氏體，晶界處存在著許多條塊狀碳化物。圖6中明顯散布著少量白色網(wǎng)狀碳化物，但是并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的WC增強(qiáng)顆粒。為了確定圖6中的碳化物種類，通過XRD物相分析得到圖7 b）的圖譜，可知存在Fe3W3C，（Cr，F(xiàn)e）7C3，Cr23C6和Fe-Cr物相，未發(fā)現(xiàn)WC物相。綜上可知，既沒有在顯微組織中發(fā)現(xiàn)WC增強(qiáng)顆粒，又沒有在X射線衍射分析中發(fā)現(xiàn)WC物相。其原因是當(dāng)高溫金屬液與WC顆粒相遇時(shí)，顆粒周圍迅速升溫，即使WC顆粒的熔點(diǎn)很高，但顆粒內(nèi)外的溫差驟變生成的內(nèi)應(yīng)力可能使WC顆粒產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，使顆粒分解為更小的微粒，進(jìn)而在高溫金屬液中溶解[16-17]，溶解的WC微顆粒直接與高溫金屬液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。結(jié)合圖7 a）SEM形貌和表2的EDS能譜分析得出：試樣晶界處白色網(wǎng)狀碳化物中W元素含量較高，說明此處含有較多的Fe3W3C物相;旁邊條塊狀碳化物W元素含量較低，說明此處含有部分Fe3W3C物相;邊緣基體處也含有少量W元素，即少量的W和C 以多組分固溶體

形式存在于基體中。驗(yàn)證了WC顆粒大部分與鐵液發(fā)生反應(yīng)生成了新的碳化物，少部分WC微粒溶解后固溶到基體中，其中，WC顆粒大部分溶解，反應(yīng)生成的一種熱穩(wěn)定性較高的硬質(zhì)相Fe3W3C在界面處析出，小部分以W和C多組分固溶體形式存在于奧氏體中。姬長波[18]在攪拌鑄造法制備較大粒徑的WC顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵基復(fù)合材料的研究中也發(fā)現(xiàn)，部分溶解在金屬液中的WC顆粒分解為W和C，大多數(shù)以Fe3W3C的形式在晶界沉淀析出，對復(fù)合材料形成析出強(qiáng)化作用，少量的以W和C的多組分固溶體形式擴(kuò)散到基體中。趙寧等[19]在研究超細(xì)WC顆粒對納米CeO2增強(qiáng)激光鎳基涂層顯微組織和耐磨性的影響中發(fā)現(xiàn)，WC-Ce/Ni鍍層硬度的提高可用WC顆粒溶解于粘結(jié)金屬中時(shí)，C原子促進(jìn)硬質(zhì)和脆性碳化物的形成和W作為固溶元素使晶格產(chǎn)生畸變而導(dǎo)致固溶硬化2種機(jī)制來解釋。因此，試樣中添加的WC顆粒對復(fù)合材料的強(qiáng)化作用至少有2種：一種是在晶界析出產(chǎn)生析出強(qiáng)化;另一種是少量的W和C以多組分固溶體形式存在于奧氏體中產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。

2.2 澆注方式對WC顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵試樣硬度和耐磨性的影響

澆注方式對WCp/Fe復(fù)合材料試樣硬度的影響如圖8所示，試樣與硬度為HRC40的基體相比，硬度都有所提高。在某一種澆注方式下，隨著WC顆粒粒徑的減小，復(fù)合材料硬度增加。分析其原因，發(fā)現(xiàn)是隨著WC顆粒粒徑的減小，WC顆粒受到的流體剪切力增強(qiáng)，不易于形成團(tuán)聚[20]。因此，隨著WC顆粒粒徑的減小，其在金屬液中的分布變得均勻，強(qiáng)化作用也更均衡。WC顆粒粒徑相同時(shí)，縫隙澆注的復(fù)合材料試樣硬度普遍高于頂注和底注澆注方式。WC顆粒粒徑為6.5 μm時(shí)，縫隙澆注復(fù)合材料試樣硬度為HRC 50.4，比基體硬度提高了26%;頂注時(shí)試樣硬度為HRC 46.9，比基體硬度提高了15%;底注時(shí)試樣硬度為HRC 45，比基體硬度提高了12.5%。

對不同澆注方式下得到的WCp/Fe復(fù)合材料試樣取樣進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)，根據(jù)式（1）計(jì)算出相對于基體材料的耐磨性，得到結(jié)果如圖9所示，可知在添加WC增強(qiáng)顆粒后，3種澆注方式的試樣耐磨性與基體相比都有不同程度的提高?？傮w上，耐磨性均隨著WC顆粒粒徑的降低而逐漸增加。頂注時(shí)加入的WC增強(qiáng)顆粒粒徑為6.5 μm時(shí)耐磨性達(dá)到最高，為基體耐磨性的1.61倍;縫隙澆注加入WC增強(qiáng)顆粒粒徑為6.5 μm時(shí)達(dá)到耐磨性最大值，為基體耐磨性的1.83倍;底注時(shí)加入WC增強(qiáng)顆粒粒徑為9 μm時(shí)耐磨性達(dá)到最大值，為基體耐磨性的1.26倍，但在WC增強(qiáng)顆粒粒徑降低到6.5 μm時(shí)，相對耐磨性略有降低，為基體耐磨性的1.23倍。在加入相同WC增強(qiáng)顆粒粒徑的情況下，縫隙澆注試樣的耐磨性能最好，頂注的耐磨性次之，底注的耐磨性最低。

在澆注過程中，鐵液由內(nèi)澆口向距內(nèi)澆口最遠(yuǎn)處推進(jìn)，模樣氣化產(chǎn)生的氣隙壓力對金屬液前沿有一定的阻力作用。底注時(shí)金屬液由下向上較為穩(wěn)定地充型，模樣氣化后掉落的WC顆粒宏觀上受到自身重力和氣隙壓力的作用，抵消金屬液前沿的浮力而進(jìn)入高溫金屬液中發(fā)生反應(yīng)，隨著泡沫模樣不斷減少，氣隙壓力降低，同時(shí)金屬液前沿溫度略微下降，宏觀上抵消金屬液前沿對其向上的浮力作用減弱，使其在試樣頂部逐漸聚集，與金屬液反應(yīng)生成的碳化物分布趨于不均勻。頂注時(shí)金屬液在重力作用下充型，模樣氣化的氣隙壓力促使部分金屬液在內(nèi)澆口下方沿型壁流向試樣底部，由于試樣尺寸小，因而充型很快，金屬液的沖涮攪拌作用會(huì)使反應(yīng)生成的碳化物較底注分布均勻?？p隙澆注時(shí)，金屬液先經(jīng)由截面積較大的立板然后經(jīng)過截面積較小的縫隙內(nèi)澆道進(jìn)入型腔，較多模樣氣化，發(fā)氣量增大，宏觀上氣隙壓力促進(jìn)WC顆粒進(jìn)入金屬液前沿的作用增大，而且充型的金屬液增多，液面前沿的激冷效果降低，不利于WC顆粒向試樣頂端聚集，使反應(yīng)生成的碳化物均勻分布。WC顆粒溶解在金屬液后，反應(yīng)形成的析出強(qiáng)化與固溶強(qiáng)化共同作用增強(qiáng)復(fù)合材料，因此澆注方式對WC顆粒在型腔內(nèi)分布的作用會(huì)影響試樣整體范圍上的硬度與耐磨性能。圖10為縫隙澆注系統(tǒng)金屬液充型過程，圖11為頂注試樣與底注試樣在WC顆粒粒徑為23 μm的金相組織，僅從金相組織看不出有明顯的差異。

高鉻鑄鐵能夠抗泥沙沖蝕磨損，其原因主要是高鉻鑄鐵組織中一些硬度相對較低的組織被磨損后，硬度高的碳化物顆粒在表面凸起形成“陰影效應(yīng)”，有效緩解“陰影”下硬度相對較低組織的磨損，從而提高了抗泥沙沖蝕磨損性能[21]。宋歡[22]在噴射式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)中分析漿料在不同噴射角度沖蝕鋼制旋流器的研究中發(fā)現(xiàn)，硬度對低角度的沖蝕磨損性能有較大影響，當(dāng)沖蝕角度變大時(shí)，材料表面受漿料中固體粒子的沖擊增多，主要磨損形式為塑性較好的區(qū)域被連續(xù)擠壓形成微小薄片直至剝落。本文是在沖蝕磨損的條件下測定WCp/Fe復(fù)合材料試樣與基體材料之間的相對耐磨性能，分析復(fù)合材料耐磨試樣發(fā)生的沖蝕磨損過程如下：當(dāng)沖蝕磨損作用在試樣的低角度區(qū)域上時(shí)，基體組織中硬度較高的碳化物和WC顆粒溶解后在晶間生成的硬脆復(fù)式碳化物“陰影作用”明顯，阻礙試樣的磨損;沖蝕磨損作用在試樣較高角度的區(qū)域上時(shí)，試樣表面受到漿料中的固體粒子沖擊作用明顯，塑性較好的組織逐漸形成微小薄片直到被剝落，硬脆相周圍可能存在缺陷的組織則萌生裂紋逐漸脫落。以上各種效應(yīng)的綜合影響，使得WCp/Fe復(fù)合材料試樣逐漸被沖蝕磨損。

2.3 縫隙式澆注WCp/Fe復(fù)合材料后護(hù)板的性能

采用縫隙澆注時(shí)制備了圖2所示的WCp/Fe復(fù)合材料后護(hù)板鑄件，按照圖2從后護(hù)板件上取樣，對試樣進(jìn)行沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)，得到圖12、圖13的結(jié)果。由圖12、圖13可以看出，復(fù)合材料后護(hù)板鑄件的硬度隨著WC顆粒粒徑尺寸的減小而增加，當(dāng)WC顆粒粒徑為5.5 μm時(shí)，硬度達(dá)到最高，為HRC 50;復(fù)合材料的耐磨性隨著WC顆粒粒徑的減小而提高，當(dāng)WC顆粒粒徑為5.5 μm時(shí)，相對基體的耐磨性提高了2.21倍。

在WC顆粒度對復(fù)合材料性能影響研究中，彭思源[23]對不同顆粒度的WCp/Fe復(fù)合堆焊層的研究也表明，WC顆粒溶解時(shí)會(huì)在堆焊層形成多種類型的碳化物，從而提高堆焊層和熔合區(qū)的硬度，相同體積分?jǐn)?shù)下小顆粒數(shù)量多、間距小且分布廣泛，溶解后沿奧氏體晶界析出的碳化物多，堆焊層硬度高。而隨著WC顆粒度降低之后硬度不斷升高，硬度較高區(qū)域?qū)_蝕磨損的“陰影效應(yīng)”與塑性較高區(qū)域?qū)δ嗌愁w粒沖擊變形相結(jié)合，共同提升復(fù)合材料的耐沖蝕磨損性能。因此與縫隙澆注得到的試樣相比，后護(hù)板件也呈現(xiàn)了隨著WC增強(qiáng)顆粒目數(shù)的升高，硬度、耐磨性增加的趨勢。

3 結(jié) 論

1）3種澆注方式得到的WCp/Fe復(fù)合材料試樣硬度均隨著WC顆粒粒徑的減小而逐漸提高?？p隙澆注得到的試樣硬度最高，頂注次之，底注最低。當(dāng)WC顆粒粒徑為9 μm時(shí)，縫隙澆注和頂注試樣硬度達(dá)到最高，分別為HRC 50.5和HRC 47.4。

2）3種澆注方式得到的WCp/Fe復(fù)合材料試樣耐磨性與基體相比都有所提高，且均隨WC粒度的減小而逐漸升高。當(dāng)WC粒度為6.5 μm時(shí)，縫隙澆注和頂注澆注的試樣耐磨性分別提高了1.83倍和1.61倍。

3）縫隙式澆注的渣漿泵后護(hù)板硬度及耐磨性能如下：WC粒度為5.5 μm時(shí)，硬度提高了25%，耐磨性提高了2.21倍。

4）本研究針對不同澆注方式對WCp/Fe復(fù)合材料中不同部位性能的影響，以及對金屬液前沿溫度變化的影響還不夠深入，下一步將在此方面進(jìn)行深入探討。

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收稿日期：2020-04-02;修回日期：2020-05-12;責(zé)任編輯：張士瑩

基金項(xiàng)目：河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（18211021D）

第一作者簡介：李鐵功（1991—），男，河北唐山人，碩士研究生，主要從事金屬基復(fù)合材料方面的研究。

通訊作者：譚建波教授。E-mail：tanjian1998@163.com

李鐵功，馬國彬，王娟，等.

澆注方式對WCp/Fe復(fù)合材料耐磨性能的影響

[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（3）：281-288.

LI Tiegong，MA Guobin，WANG Juan，et al.

Effect of pouring method on wear resistance of WCp/Fe composites

[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2020，41（3）：281-288.