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1、JIUJIANG UNIVERSITY毕 业 论 文题 目 真空溶渗金属基WC增强复合材料耐磨性研究英文题目 Research the wear-resisting degree largely of the WC reinforced Metal matrix composite by melt infiltrtion in vacuum environment 院 系 机械与材料工程学院 专 业 金属材料工程 姓 名 年 级 指导教师 二零一三年六月IV摘 要本文利用扫描电子显微镜、磨粒磨损试验机等分析手段，考察了真空环境下WC(碳化钨)颗粒熔渗入金属基体表面所形成的复合材料的金相组织、耐
2、磨性等性能。结果表明使用WC作为增强相能够显著地改变金属基表层的组织结构，较大地提高了表层组织的耐磨性。在WC颗粒增强金属基表面复合材料中，基体包裹WC颗粒，对WC颗粒有支撑和保护的作用。而WC又较为均匀地分布在基体的表层，提高了表层的耐磨性。在真空环境，金属在冷却过程中内部出现了不同程度的小孔。三种金属通过WC增强相都获得了耐磨性的提升，经分析得知，黄铜作为基体时其基体层与复合层的平均磨损量比为144；铸铁作为基体时其基体层与复合层的平均磨损量比为147；钢作为基体时其基体层与复合层的平均磨损量比为674。而且在做重载实验时发现可能加热到1400的钢、快速加热到1070的黄铜和加热到1300
3、的铸铁更适合做重载耐磨材料。【关键词】碳化钨；金属基复合；熔渗；磨损；真空AbstractThis article using scanning electron microscopy, abrasive wear testing machine and other analytical tools, investigated under a vacuum environment WC(tungsten carbide) particles melt infiltration formed on the surface of the metal matrix composite materia
4、l microstructure, tissue hardness, wear resistance and other properties. The results show that the use of WC as a reinforcing phase can significantly alter the organizational structure of the surface of the metal base, greatly improve the hardness and wear resistance of the surface tissue. WC partic
5、les to the surface of the reinforced metal matrix composites, the matrix wrapped WC particles, support and protect the role of the WC particles. And WC also more evenly distributed in the surface layer of the matrix, to improve the wear resistance of the surface layer.In the vacuum environment, ther
6、e are varying degrees of the apertures appeared the metal internal during the cooling process. Three metals are obtained enhance the hardness and wear resistance by the WC wild phase. By the analysis that, brass as a substrate，the average wear ratio of base layer and composite layer is 144；cast iron
7、 as a substrate，the average wear ratio of base layer and composite layer is 147; steel as a substrate, the average wear ratio of base layer and composite layer is 674. And through the overlay experiments, we know maybe the steel of heated to 1400, the brass of rapid heating to 1070 and the cast iron
8、 of heated to 1300 are more suitable for heavy of wear-resistant materials.【Keywords】 tungsten carbide; metal matrix composite; melt infiltration; wear and tear; vacuum environment目录前 言1第一章 概论21.1复合材料的研究21.1.1金属基陶瓷复合材料的性能与应用21.1.2金属基复合材料的发展现状31.2金属基表面复合材料的制备工艺31.2.1 粉末冶金法31.2.2 原位生成发41.2.3金属溶液浸渗法41.
9、2.4 铸造法51.2.5 喷射成型法61.3 选题的意义与内容71.3.1 选题的意义71.3.2 本课题的研究内容7第二章 实验方案的确定82.1 引言82.2 试验设计82.3 实验材料92.3.1 实验原料的选择92.3.2 配料计算102.4 实验设备102.5 试验方法122.5.1 试样的制备132.5.2 线切割试样132.5.3 组织形貌观察与性能测试13第三章 实验结果与分析讨论153.1 引言153.2 实验结果与分析讨论153.2.1 组织形貌分析153.2.2 性能分析21结论27参考文献28谢 辞3028前 言众所周知，金属零件在用久了以后会出现失效。磨损就是其中一
10、种失效形式1。现代工业的发展要求是能在恶劣磨损工况(如高温、高速腐蚀摩擦磨损等)下有效工作的工件2。目前在重工业、建筑、甚至某些轻工业等领域广泛使用的耐磨零件大部分是整体材料，而使用过程中零件表面磨损到一定程度就要更换，耐磨零件在使用过程中安全性和耐磨性是一对矛盾，提高耐磨性势必要降低冲击韧性，反之为了使用安全，提高冲击韧性势必要降低硬度，从而降低耐磨性。与传统的金属耐磨材料相比，陶瓷颗粒增强金属基表面复合材料，将金属材料的高强韧性和陶瓷颗粒的高硬度有效结合起来，形成整体耐冲击和表面耐磨损的高性能材料。其中，WC颗粒增强钢铁基表面复合材料具有价格、性能和技术上的优势2。在真空条件下加热熔化基体
11、材料，让基体渗入增强相发生冶金结合，冷却后形成复合材料。真空条件对这种复合材料有什么影响现在还鲜有研究。在日常情况下，受到常压的限制，在大气压力下妨碍了物质的气化，在冶炼和加工时大气中的氧气，使金属和化合物氧化，活性金属甚至难以留存，液态金属还会溶解大气中的某些成分，形成气泡，这些都严重地影响金属材料性能的提高3。采用真空熔炼，由于熔炼是在高真空或惰性气氛下进行，制得产品具有纯洁度高，杂质少、含气量低的突出优点4。在前人的一些研究基础下，本论文研究了在真空下加热后发生溶渗的金属基体和WC颗粒形成的金属陶瓷复合材料。对材料的组织形貌，WC颗粒的分布情况作简要的描述和分析。并对不同的温度下加热后的
12、材料的耐磨性进行测试和比较。找出相对比较适合做重载的材料并作出简单的原因解释。我国是一个矿产资源大国，在耐磨耗材这方面还是很有研究的必要的。所以在真空环境下材料会有怎样的变化，会不会比大气环境下制得的钢铁基陶瓷复合材料更为优秀都将拭目以待。第一章 概论1.1复合材料的研究随着各大型工矿企业生产效率的提高，生产负荷的增大，对机械产品的质量要求越来越高，服役条件也越来越苛刻。通常使用的整体耐磨材料根本满足不了这些需要。整体耐磨材料表面与心部的耐磨性一致，通常情况下表面磨损到一定程度后，就要更换零件。这对企业的生产效率和生产效益造成了严重的损害，极大地浪费了人力与物力。因此这就需要我们能够制造出一种
13、材料使其表面有足够的硬度来提高耐磨性，而基体又有高的强韧性来抵抗冲击断裂损坏。复合材料正是在这种情况下所研究出的一种新型材料。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。1.1.1金属基陶瓷复合材料的性能与应用陶瓷( Ceramic) 这一术语来自希腊语/ Keramikos，意指烧成的材料。根据其发展进程，对其概念可以从以下两个层次去界定：传统意义上的陶瓷复合材料指以粘土等天然材料经成坯烧结
14、而成的一种材料，陶瓷复合材料具有显著的耐高温、耐磨、耐腐蚀、硬度大、重量轻及抗氧化等优点。但是，其致命的弱点是脆性，极大的限制了它的应用，而且陶瓷材料对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感4。陶瓷/金属复合材料，由于包含了陶瓷和金属材料，因此，具有陶瓷的硬度、耐酸碱腐蚀性能及耐磨性能，并具有金属的韧性，广泛应用于耐磨和强酸强碱性环境(如海水泵)等。目前，具有三维连续网络结构陶瓷/金属基复合材料成为研究热点5，该材料具有高硬度、高强度、高耐磨性、高韧性以及低密度的优点，已被广泛应用于军事防弹、食品加工机械、汽车工业、航空航天和机械加工等领域。铁基陶瓷材料的优越性能已经非常明显。常用的基体有铝基、
15、镁基、铜基、铁基、钛基、镍基、高温合金基、金属间化合物及难熔金属基等；常用的增强体有C纤维、Ti纤维、B纤维、Al2O3、短纤维、SiC晶须、B、C颗粒、SiC颗粒、B4C颗粒、Si3N4颗粒、WC颗粒、Mo2C颗粒、ZrO2颗粒、ZrB2颗粒、A12O3颗粒、碳纳米管和石墨等6。1.1.2金属基复合材料的发展现状金属基复合材料由于具有高强度、高弹性率、耐磨、耐高温等优良特性而受到普遍关注。虽然到目前为止，金属基复合材料应用尚不如高分子基复合材料普遍，但一般认为，金属基复合材料是21 世纪发展潜力最大的高性能结构材料之一7。金属基复合材料的其它应用涵盖制造业、体育休闲及基础建设领域，既包括硬质合金、电镀及烧结金刚石工具、Cu基及Ag基电触头材料等成熟市场，也包括TiC增强铁基耐磨材料、Saf
