【研究背景】

單一金屬和合金難以滿足磨損工況下的服役要求，陶瓷顆粒增強鐵基複合材料由于其具有良好的強度和耐磨性被廣泛研究。WC陶瓷顆粒由于具有高硬度、高強度，且與鐵液潤濕性極好，高鉻鑄鐵基體的耐磨性優于合金鋼和高錳鋼，WC鐵基複合材料的耐磨性較高，成為耐磨件生産開發的重要選擇之一。

鑄造是制備WC增強鐵基複合材料的有效方法。通過離心鑄造工藝制備的WC 顆粒增強鐵基複合材料在凝固過程中形成碳化物和牢固的冶金結合界面，大幅提高了複合材料的耐磨性。郭在在等采用消失模鑄造制備的WC/高鉻鑄鐵複合材料闆錘，鑄滲後的截面厚度達到6~8 mm，使用壽命比高鉻鑄鐵增加43%，具有明顯的性價比優勢和經濟效益。此外，在具有結構效應下的鐵基複合材料也能進一步改善耐磨性，蜂窩狀構型ZTA/Fe基複合材料的三體磨料磨損耐磨性比高鉻鑄鐵基體高 3.5 倍以上。SONG Y P等采用離心鑄造法制備了梯度複合材料，分别含有體積分數為54%和70% 的 WC-Fe-C合金，獲得了厚度為23～28 mm的WC/Fe複合材料層，梯度複合層的耐磨性是高速鋼的20倍以上。然而，對于具有預制體結構的WC增強鐵基複合材料在砂型鑄造工藝下的組織及耐磨性研究還鮮有報道。

l2022年第42卷第6期《特種鑄造及有色合金》雜志刊登了“金屬基複合材料及應用”專題，昆明理工大學李祖來教授應邀發表題為“WC預制體柱增強鐵基複合材料的顯微組織和性能”的文章。文章通過砂型鑄造法制備WC增強鐵基複合材料，将不同直徑下的WC預制體與高鉻鑄鐵基體複合，分析預制體加入鐵基體對複合材料顯微組織、硬度和耐磨性的影響，為相關耐磨件的生産應用提供參考。

作者簡介

[李祖來]

李祖來，教授，博士研究生導師，博士後合作導師。現為昆明理工大學材料科學與工程學院院長，金屬先進凝固成形及裝備技術國家地方聯合工程實驗室副主任，雲南省先進成形制造工程技術研究中心主任，雲南省産業技術領軍人才、雲南省中青年學術和技術帶頭人、雲南省政府特殊津貼獲得者、昆明理工大學學術委員會委員、耐磨材料國家級專家服務基地平台負責人、雲南省專家基層科研工作站設站專家，兼任中國材料研究學會理事、中國工程機械學會材料分會委員。

研究方向：先進耐磨材料及金屬基複合材料

課題組或部門研究成果簡介

課題組以金屬耐磨材料、金屬基複合材料、有色金屬深加工技術及成果産業化為主要研究領域，主持承擔國家重點研發計劃、國家863、國家自然科學基金（共8項，其中主持5項、面上項目4項）、雲南省科技強省計劃專項、雲南重大科技專項計劃等項目共計50餘項，累計科研經費約8000萬元。目前在Acta Mater.、Ceramics Inter、WEAR等國内外期刊上發表論文100餘篇（其中SCI、EI收錄70餘篇），出版學術專著2部，授權專利77件，其中授權發明專利45件，獲得省部級科研獎勵5項，其中雲南省技術發明一等獎2項。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

以WC 作為陶瓷增強顆粒，高鉻鑄鐵為基體。預制體含有質量分數為50%的WC顆粒，其尺寸為150~180 μm。Ni粉為40%，Ni60WC25為10%，尺寸為60~90 μm。

1.2 制備方法

陶瓷顆粒與Ni粉末進行充分的均勻混合後壓制成預制體，并将WC預制體在1 000℃下燒結60 min。用砂型鑄造複合材料，預制體的直徑分别為φ5 mm和φ10 mm，在中頻感應爐中熔煉，将預制體安放在砂型型腔中，在1 480 ℃澆注，獲得WC顆粒增強鐵基複合材料（見圖1）。

圖1 WC預制體增強鐵基複合材料的砂型鑄造示意圖

1.3 測試與表征

采用D/max-3B型X射線衍射儀（XRD）分析鑄造後WC鐵基複合材料的物相組成；通過EVO18型掃描電鏡（SEM）觀察不同工藝參數下複合材料的顯微組織和磨損形貌；通過GENESIS型能譜儀（EDS）進行元素分布面掃測試。不同參數下的硬度由HX-1000型顯微硬度計測試，基體、過渡層和預制體區域分别采3個點，取平均值；通過MFG-800SQ往複式摩擦試驗機進行三體磨料磨損試驗，磨損移動速度為1 500 mm/min，載荷為600 N，進行3個磨程試驗的質量損失作為磨損失重量。

2 試驗結果與分析

2.1複合材料的顯微組織

圖2為WC增強鐵基複合材料的SEM顯微組織。可以看出，與高鉻鑄鐵基體相比，預制體與基體間形成了一定厚度的界面過渡層，且過渡層的厚度在200 μm以上，界面結合效果較好，而基體中主要分布初生碳化物。WC增強鐵基複合材料元素分布的EDS見圖3。可以看出，Fe、Cr元素主要分布在基體和過渡層區域形成碳化物，預制體中的W、Ni元素擴散至擴散至過渡層中。

圖2 WC預制體增強鐵基複合材料的SEM顯微組織

(a)高鉻鑄鐵基體; (b)預制體直徑為5mm;(c) 預制體直徑為10mm

圖3 預制體直徑為10mm的WC增強鐵基複合材料的EDS結果

圖4為WC鐵基複合材料的XRD結果。可以看出，預制體與基體鑄造複合後形成WC、Fe3W3C、Ni17W3、Ni3Fe、(Fe,Cr)7C。在鑄造凝固過程中，預制體中的WC陶瓷顆粒和Ni粉在高溫下開始溶解，W、C、Ni元素與金屬鐵液中的Fe、Cr等元素形成碳化物和鎳鎢化合物。在預制體中加入Ni有利于促進鐵液滲入到預制體中，使高鉻鑄鐵基體與預制體之間的過渡層區域更加明顯，加快WC的溶解擴散，使界面結合更加牢固。

圖4 預制體直徑為10mm的複合材料XRD

2.2複合材料的硬度

WC增強鐵基複合材料的硬度見圖5。可以看出，鑄态的高鉻鑄鐵基體硬度值（HV）約為450，加入預制體後的複合材料基體硬度值為476，預制體硬度為1 769，過渡層的硬度值為749~779，且預制體直徑為φ10 mm的複合材料過渡層硬度值比直徑為φ5 mm的稍高。這是由于在基體中加入具有高硬度的WC顆粒的預制體後，預制體中的WC顆粒部分發生溶解擴散，與基體形成硬質相碳化物分布在過渡層區域，少量分布在基體中。複合材料過渡層的顯微組織和硬度受預制體中W擴散的影響，形成的碳化物有利于硬度的提高。

圖5 不同預制體直徑下WC增強鐵基複合材料的硬度

2.3複合材料的磨損性能

圖6和圖7分别為不同預制體直徑的WC增強鐵基複合材料的三體磨料磨損失重量和磨損形貌。從圖6可以看出，高鉻鑄鐵基體的磨損量最大，而不同直徑的預制體鑄滲後形成的複合材料磨損量明顯降低，直徑為10mm的預制體磨損量最小，說明其耐磨性最好。從圖7可以看出，WC增強鐵基複合材料的三體磨料磨損形貌主要為犁溝、剝落和凹坑，基體磨損後的犁溝大且深，形成較多的剝落，而複合材料磨損後産生的犁溝相對較淺。WC顆粒可以有效提高複合材料的硬度和抗磨料磨損能力，預制體結構在基體中能夠起到保護基體的作用，基體來支撐增強顆粒，在預制體結構與基體之間形成“陰影保護”。複合材料的耐磨性很大程度上取決于過渡層、基體和預制體區域的硬度，而預制體中由于兼具WC硬質顆粒和結構保護作用，提高了鐵基複合材料的硬度和耐磨性能。

圖6 不同預制體直徑下WC增強鐵基複合材料的磨損失重量

圖7 不同預制體直徑下WC增強鐵基複合材料的磨損形貌

(a) 鐵基體 (b) WC直徑為φ5mm, (c) WC直徑為φ10mm

【研究結論】

（1）通過砂型鑄造了不同預制體直徑的WC增強鐵基複合材料，預制體與基體間形成冶金結合的過渡層，複合材料的過渡層厚度達到200 μm。

（2）WC增強鐵基複合材料的顯微組織主要為WC、Ni3Fe、Fe3W3C、M7C3型碳化物。

（3）與高鉻鑄鐵基體相比，不同預制體直徑下複合材料的硬度明顯提高，預制體區的硬度（HV）為1 769，過渡層區域的硬度最大值為779。

（4）複合材料的磨損失重量比高鉻鑄鐵基體小，耐磨性較高，耐磨性與複合材料的硬度相關，磨損形貌主要表現為犁溝和剝落。

【文獻引用】

張飛,王興宇,李祖來,等.WC預制體柱增強鐵基複合材料的顯微組織和性能[J].特種鑄造及有色合金，2022.42(6):677-680.

ZHANG F.WANG XY, LI Z L，et al. Microstructure and properties of WC preform column reinforced iron-based composites[J].Special Casting &.Nonferrous Alloys，2022，42(6):677-680.

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