WC增强W-Cu-Ni基复合材料的制备及其摩擦磨损特性的研究

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导卫板是轧钢生产线上的导卫装置重要的组成部分,要求高温耐磨性和高温抗疲劳等性能,现有材料难以完全满足其要求。本文通过化学镀制备了铜包覆钨复合粉末。采用硬质相和铜包覆钨复合粉末为原料,采用真空热压烧结工艺成功制备了W-Cu-Ni-WC复合材料,并对其摩擦磨损行为进行研究,以期满足导卫板和衬板等领域的使用要求。主要研究内容与结果如下:通过化学镀法成功制备了表面结构良好的铜包覆钨复合粉末,整个铜镀层呈丘陵状形貌,结构致密,镀层表面由细小的金属球状颗粒堆积,复合粉末含有W、Cu物相,还可能含有Cu0.4W0.6物相。当烧结温度为950℃、烧结压力为40 MPa、保温时间为2 h、复合粉末中Cu含量为20 wt.%和WC颗粒的添加量为1.5 wt.%时,70W-Cu-Ni-WC复合材料的致密度最大(97.3%),其维氏硬度较70W-Cu-Ni复合材料提高了44.1%,为245.00 HV。在真空环境中,25℃、300℃、500℃、700℃和900℃时,70W-Cu-Ni-1.5WC复合材料的磨损率较70W-Cu-Ni复合材料的磨损率分别减少了35.2%、67.7%、2.8%、47.9%和17.6%,两种复合材料都具有较好的低摩性。随着温度的升高(25℃~900℃),70W-Cu-Ni-1.5WC复合材料的磨损率逐渐增加(1.99×10-5~6.64×10-4mm3·N-1·m-1),其摩擦系数在700℃和900℃时具有最小和最大的数值(分别为0.197和0.348)。700℃和900℃时两种复合材料的磨损表面的氧化产物主要是WO3和WO2,磨损机制是磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和氧化磨损,随着温度的变化,占据主导地位的磨损机制发生了变化。在氮气环境中,70W-Cu-Ni-1.5WC复合材料的摩擦系数随着温度升高在0.235~0.368之间波动,其磨损率随着温度的升高(25℃~700℃)而逐渐增加(7.6×10-5~3.59×10-3mm3·N-1·m-1)。其磨损机制在25℃~500℃时以磨粒磨损和粘着磨损为主,疲劳磨损为辅;700℃时,以磨粒磨损为主,粘着磨损、疲劳磨损和氧化磨损为辅,磨损表面的氧化产物主要是WO2。900℃时,磨损率降为4.5×10-4mm3·N-1·m-1,这是因为磨损机制发生转变,以磨粒磨损和疲劳磨损为主,粘着磨损和氧化磨损为辅,主要氧化产物是WO2和WO3。在氩气环境中,随着温度的升高(25℃~900℃),70W-Cu-Ni-1.5WC复合材料的摩擦系数在0.269~0.350之间波动,在25℃和500℃时表现出最小和最大系数值(分别为0.269和0.350);其磨损率逐渐增加(5.32×10-5~3.23×10-3mm3·N-1·m-1)。其磨损机制在25℃时,以磨粒磨损和粘着磨损为主,疲劳磨损为辅;300℃时,以疲劳磨损和粘着磨损为主,磨粒磨损为辅;500℃时,以粘着磨损为主,疲劳磨损和磨粒磨损为辅;700℃时,磨损表面的氧化产物主要是WO2和WO3,磨损机制是以疲劳磨损和粘着磨损为主,磨粒磨损和氧化磨损为辅;900℃时,磨损表面的氧化产物主要是WO2,磨损机制是以磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损为主,氧化磨损为辅。机械混合摩擦层是磨损表面最重要的磨损形貌,而重复循环变形是氩气环境中的70W-Cu-Ni-1.5WC复合材料在不同温度下的最主要材料磨损失效形式。
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