肖逸鋒，楊 燕，吳 靚，許艷飛，錢錦文，李浪浪，賀躍輝

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C、W摩爾比對真空燒結(jié)反應合成WC-Fe耐磨材料組織和性能的影響

肖逸鋒1, 2，楊 燕1，吳 靚1，許艷飛1，錢錦文1，李浪浪1，賀躍輝3

(1. 湘潭大學 機械工程學院 焊接機器人及應用技術(shù)湖南省重點實驗室，湘潭 411105；2. 湘潭大學 復雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心，湘潭 411105； 3. 中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

以鎢鐵和炭黑為反應源，采用真空燒結(jié)法反應制備不同(C)/(W)的WC-Fe耐磨材料。采用XRD、SEM、EDS、宏觀硬度與磨粒磨損等測試技術(shù)，對比研究(C)/(W)對WC-Fe耐磨材料組織與性能的影響。結(jié)果表明：正常WC+兩相組織對應的(C)/(W)范圍為1.1~1.3，(C)/(W)低于1.1時，出現(xiàn)相；而(C)/(W)高于1.3時，出現(xiàn)C相。隨著(C)/(W)在0.9~1.7之間增加，硬質(zhì)WC的含量與平均晶粒尺寸先顯著增加后緩慢變化，材料的密度、線收縮率與硬度逐漸下降，磨損質(zhì)量損失不斷增加。

鎢鐵；真空燒結(jié)；原位合成；WC-Fe耐磨材料

在制備WC顆粒增強金屬基復合材料的過程中，微量C含量的波動都會引起材料組織與性能的變化。在缺碳環(huán)境下，易產(chǎn)生脆性相(M6C或M12C型碳化物)，使材料強度下降；在高碳環(huán)境下，易產(chǎn)生游離石墨相，破壞組織連續(xù)性[1]。為避免缺碳相與富碳相的不利影響，大量研究致力于探索理想WC+(Fe/Co/Ni-W-C固溶體)兩相組織所對應的C含量區(qū)間。在各項條件相同的情況下，采用Fe做粘接相時獲取理想的WC+兩項組織、對應的碳含量區(qū)間最窄；采用Co做粘接相時，理想碳含量區(qū)間較寬；采用Ni做粘接相時，理想碳含量區(qū)間最寬。而出現(xiàn)正常組織時合金含碳量在Ni粘結(jié)時較低，Co粘結(jié)時稍高，F(xiàn)e粘結(jié)時最高[2]。而對不同制備方法下的不同合金體系而言，則情況更加復雜。就加壓燒結(jié)WC-10Co-0.6Cr3C2而言，理想碳含量為5.41%~5.55% (質(zhì)量分數(shù))[3]。而Ni做粘接相的低壓燒結(jié)WC-6%Ni合金對應的兩相區(qū)碳含量為6.03%~6.06%(質(zhì)量分數(shù))[4]。氬弧熔覆反應制備WC顆粒增強Fe基復合材料時，由于電弧對石墨的燒損使其最佳(C)/(W)為1.5[5]。此外，C含量還極大地影響WC顆粒的數(shù)量、形貌與分布、基體組織的成分與含量以及反應制備各個階段的致密化過程，這都將對材料的組織與性能產(chǎn)生極大的影響[6?10]。采用鎢鐵和炭黑為反應源制備WC-Fe耐磨材料具有成本低、工藝簡單等特點，但由于鎢與鐵的潤濕性不如鎢與鈷，有關真空燒結(jié)一步原位合成制備WC-Fe耐磨材料的研究相對較少。

基于此，本文作者在以鎢鐵和炭黑為反應源，采用真空燒結(jié)復合原位合成技術(shù)，成功地制備了WC-Fe耐磨材料的基礎上，研究了(C)/(W)對其組織與性能的影響，為制備低成本W(wǎng)C-Fe 耐磨材料奠定基礎。

1 實驗

1.1 材料及試樣制備

實驗選用FeW-80(78.1%W，＜40 μm，F(xiàn)eW-80的化學成分見表1)、炭黑(＜5 μm)和鐵粉(＜40 μm)為原材料，F(xiàn)eW-80和鐵粉的原始形貌見圖1。由圖1可知， FeW-80原始粉末中大小顆?；旌戏植?，小顆粒約5 μm，大顆粒高達40 μm，鐵粉的粒度較FeW-80偏大，整體在20~40 μm區(qū)間內(nèi)的分布居多。通過固定FeW-80的含量，即W的含量，改變碳含量來調(diào)節(jié)燒結(jié)材料的(C)/(W)，制備(C)/(W)為0.9、1.1、1.3、1.5與1.7的試樣，并分別標記為試樣1~5。

表1 FeW-80的化學成分

圖1 原始粉末的SEM像

將鎢鐵、炭黑與鐵粉的混合粉末置于球料質(zhì)量比為4:1的硬質(zhì)合金球磨罐中加無水乙醇濕磨24 h，再置于真空干燥箱中經(jīng)75 ℃保溫4 h，經(jīng)球磨過篩后獲取的混合粉末的形貌如圖2所示，對圖中點所示的亮白色物質(zhì)與點所示的深灰色物質(zhì)進行EDS分析知：的成分為W 53.88、Fe 8.64、O 13.09、C余量(摩爾分數(shù)，%)，的成分為Fe 34.74、O 17.65、C余量(摩爾分數(shù)，%)，可見亮白色物質(zhì)為富W相，深灰色物質(zhì)為富Fe相。部分富W相以大顆粒形式存在，其粒徑相較于原始大顆粒FeW-80粉末略有減小，但也達30 μm左右，而富Fe相較原始鐵粉顯著細化，且以包裹大顆粒富W相或者小顆粒的形式存在。而不同物質(zhì)中的O來源于混合粉末制備過程中的氧化。最后將預制粉末置于尺寸為70 mm×31mm的模具中進行壓塊，并將壓坯放入真空燒結(jié)爐中，按工藝升溫至1400℃保溫1 h后隨爐冷卻。

1.2 實驗方法

采用D/MAX2500型X射線衍射儀對試樣進行物相測定；采用JSM?6360LV型掃描電子顯微鏡(帶Oxford7854電子能譜儀)進行材料的顯微組織分析與微區(qū)成分探測；利用Image-Pro Plus分析材料的晶粒尺寸；采用阿基米德排水法測量樣品的密度；采用HR-150A的洛氏硬度計測量樣品的宏觀硬度值(加載載荷為147 N)；采用MLS-23型濕沙橡膠輪式磨損試驗機測試樣的耐磨性能，試樣尺寸為57 mm× 25 mm×5 mm，磨料質(zhì)量為1.5 kg，圓盤轉(zhuǎn)速為220 r/min，磨損程度為1000 r，施加載荷為24.5 N。

圖2 球磨后混合粉末的SEM像

2 結(jié)果與分析

2.1 C、W摩爾比對材料物相與顯微組織的影響

圖3所示為燒結(jié)試樣1~5的XRD譜。從圖3中可以看出，各試樣主要由WC和-Fe組成，且WC的衍射峰隨(C)/(W)的增大而增強。當(C)/(W)低于1.1時，試樣中還存在Fe3W3C相，且其衍射峰隨(C)/(W)的增大而減弱；當(C)/(W)由1.1增大到1.3時，經(jīng)歷了Fe3W3C逐漸消失而微量石墨相開始出現(xiàn)的過程，因此有望通過在該區(qū)間內(nèi)調(diào)整(C)/(W)來獲取WC與-Fe的兩相組織；進一步增加(C)/(W)，石墨相的含量增多。這表明在較低的(C)/(W)條件下，沒有足量的C來補充其耗損，故構(gòu)成缺碳環(huán)境而生成相，但本實驗條件下的缺碳程度并不嚴重，故形成的是Fe3W3C而不是缺碳程度更嚴重的Fe6W6C；隨著(C)/(W)增加，C量充足而促進WC的形核與長大，但C量過剩便會以石墨相的形式存在，故在(C)/(W)從1.1增大到1.3時，F(xiàn)e3W3C逐漸消失，且微弱石墨峰開始出現(xiàn)。進一步增加(C)/(W)，碳量嚴重富余而使石墨相劇增[11]。

圖3 不同C、W摩爾比燒結(jié)試樣的XRD譜

圖4所示為燒結(jié)試樣1~5的SEM像。圖4(a)所示為樣品1的低倍組織，其顯微組織由數(shù)量較多的亮白色顆粒物質(zhì)、孔徑較小且呈圓形的黑色孔隙以及連續(xù)的深灰色物質(zhì)組成。其中亮白色顆粒物質(zhì)包含兩種類型，一類粒徑較大且邊界圓滑，另一類粒徑較小且邊界棱角分明。對圖4(f)中的、、3點進行能譜分析，其結(jié)果如表2所示。從表2分析可知，點所示的粒徑較小且邊界棱角分明的物質(zhì)中，W的摩爾分數(shù)為31.3%，結(jié)合圖3的XRD結(jié)果知，其為反應生成的WC；點所示的物質(zhì)中Fe、W的摩爾分數(shù)接近1，結(jié)合XRD譜的結(jié)果知，此類粒徑較大且邊界圓滑的物質(zhì)為反應生成的Fe3W3C；深灰色的C物質(zhì)以Fe元素為主，包含少量W、C元素，其為固溶強化的基體組織。表明當C含量較低，即(C)/(W)較小時，小顆粒WC數(shù)量較多，且彌散分布于基體，而伴隨生成的相Fe3W3C也占據(jù)了一定比例，并與WC混雜分布構(gòu)成材料的增強體。圖4(b)所示為樣品2的顯微組織，對比圖4(a)可知，當(C)/(W)增加到1.1時，WC顆粒數(shù)量增多，分布更加均勻，而Fe3W3C相數(shù)量減少，分布均勻程度下降。這是由于在燒結(jié)時，F(xiàn)e基中固溶了一定量的W，同時還有少量的C，原子半徑較小的C向W進行擴散形成WC，同時消耗大量的C，在燒結(jié)體內(nèi)形成易于相Fe3W3C形成的缺C環(huán)境。但在WC++的成分范圍內(nèi)，隨著C含量的增加，F(xiàn)e3W3C的總量減少[12]。

圖4 不同C、W摩爾比燒結(jié)試樣的SEM像

表2 圖4(f)中各點的EDS成分測試結(jié)果

圖4(c)、(d)與(e)所示分別為(C)/(W)為1.3、1.5與1.7的樣品的顯微組織。從圖4(c)、(d)和(e)中可以看出，WC是主要的顆粒增強相，沒有觀測到Fe3W3C相。當(C)/(W)為1.3時，呈典型三角形、四邊形形態(tài)的WC顆粒彌散分布于基體，但部分顆粒間開始出現(xiàn)極少數(shù)黑色物質(zhì)，經(jīng)分析這是富余的石墨相，但含量極少。這是由于C含量略高于W的碳化需要消耗的C，剩余的C在組織內(nèi)原位殘余，形成黑色的石墨相[13]。隨著(C)/(W)增加，殘余的石墨相也越來越多，尤其當(C)/(W)達1.7時(見圖4(e))，石墨相的面積較大，已嚴重割裂基體而影響到組織的連續(xù)性。

2.2 C、W摩爾比對原位合成的WC顆粒增強相的影響

就本反應體系而言，WC是最主要的顆粒增強相。圖5所示為不同(C)/(W)條件下不同晶粒尺寸WC的體積分數(shù)與WC的平均晶粒尺寸。由圖5可知，原位合成的WC主要分布在1.3~2.5 μm與2.5~6.0 μm兩個尺寸區(qū)間內(nèi)。隨著(C)/(W)增加，1.3 ~2.5 μm尺寸區(qū)間內(nèi)的WC顆粒數(shù)量增多，雖然在(C)/(W)達1.7時，其體積分數(shù)有所降低，但2.5~6.0 μm尺寸區(qū)間內(nèi)的WC顆粒數(shù)量增多。綜合考慮兩種粒徑較大的WC，其總體積分數(shù)由75%上升至90%左右，這說明高的(C)/(W)促進WC長大。WC平均晶粒尺寸隨(C)/(W)增加而增加，然后再趨于穩(wěn)定的變化過程也從另一方面說明了這一點。

圖5 不同晶粒尺寸WC的體積分數(shù)與WC的平均晶粒尺寸

C極大地影響燒結(jié)體中液相出現(xiàn)的時間及其數(shù)量，從而影響燒結(jié)的各個過程。從理論上講，高碳使合金的共晶點降低，也就是說碳含量高時在相同的燒結(jié)溫度下相應地增加了液相量并延長了液相保持時間。在本反應體系中，隨著(C)/(W)的增大，液相數(shù)量增多且存在時間變長。一方面，高溫下W、C原子擴散速度加快，W、C不斷沿WC邊界析出，使WC顆粒長大；另一方面，WC顆粒在液相中不斷地調(diào)整位向，使WC沿著最有利于長大的位向進行生長。但當(C)/(W)達1.3后再繼續(xù)增大其比例，WC顆粒尺寸變化不大反而還略有減小，是由于殘余的石墨相阻礙WC晶粒在基體中的移動，相應地阻礙了其生長[1]。

2.3 C、W摩爾比對材料燒結(jié)性能的影響

圖6所示為不同(C)/(W)條件下燒結(jié)試樣的密度與相對密度變化曲線。由圖6可以看出，隨著(C)/(W)增大，材料密度下降。當(C)/(W)較小時，材料密度最大，高達11.73 g/cm3；增大(C)/(W)到1.3，材料密度雖有所降低，但整體居于11.00 g/cm3以上；繼續(xù)增大(C)/(W)，材料密度顯著下降，尤其是(C)/(W)達1.7時，材料的密度降至8.88 g/cm3。當(C)/(W)小于1.5時，材料的相對密度均大于100%，且其值隨著(C)/(W)的增加而先增大后降低，當(C)/(W)增大到1.7時，相對密度降至95%左右。表3為相對應的各燒結(jié)試樣沿長度方向與寬度方向的線收縮率，不難發(fā)現(xiàn)，其與材料密度呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。當(C)/(W)較低時，材料沿兩個維度的收縮都比較大，收縮率多集中在17%~18%；當(C)/(W)較高時，材料沿兩個維度的收縮仍比較均勻，但收縮率迅速下降，最終降至14%左右。

圖6 C、W摩爾比對燒結(jié)試樣密度與相對密度的影響

表3 燒結(jié)試樣沿長度方向與寬度方向的線收縮率

由圖4的分析可知，本體系材料在(C)/(W)較小時，其組織中基本未見孔隙，而隨著(C)/(W)增大，逐漸出現(xiàn)石墨相，且其相對體積分數(shù)逐漸增大。一方面，密度極低的石墨含量增加，致使材料的密度降低；另一方面，石墨含量增加，石墨相對富余，石墨相會殘留而使得材料的燒結(jié)收縮顯著下降，其密度自然也顯著下降。而就相對密度而言，無論是W、C在Fe基中固溶形成相和相，還是C在W中固溶形成WC，在不考慮質(zhì)量損失的情況下合金的體積是明顯減小的，從而導致其實際密度明顯高于理論密度而使相對密度大于100%。當(C)/(W)從0.9增大到1.3時，原位合成WC不斷增多，由此引起的體積縮小作用增強，故相對密度越來越大；當(C)/(W)達1.5時，一定數(shù)量的石墨相抵消了部分由原子固溶引起的體積縮小作用，相對密度有所下降，但仍高于100%；而當(C)/(W)達1.7時，大片石墨相嚴重削弱體積縮小作用，材料的實際密度低于其理論密度，故相對密度降至95%左右。

2.4 C、W摩爾比對材料硬度與耐磨性能的影響

圖7所示為不同(C)/(W)燒結(jié)試樣的硬度與磨損質(zhì)量損失曲線。由圖7可以看出，隨著(C)/(W)增加，材料的硬度呈現(xiàn)下降的變化規(guī)律。當(C)/(W)低于1.3時，硬度下降緩慢，整體保持在50HRC左右；當(C)/(W)增大到1.5時，硬度下降趨勢變大；繼續(xù)增大(C)/(W)，材料硬度急劇下降。這是由于當(C)/(W)較低時，反應生成的WC++的三相組織中，硬質(zhì)WC顆粒本身就具有很高的硬度，而伴隨產(chǎn)生的相也是一種致密相，WC顆粒與相混雜著彌散分布于基體，使材料的硬度保持在較高的水 平[14?15]。而當(C)/(W)較高時，反應生成的WC++C的三相組織中，雖然WC的硬度很高，但殘余的石墨相割裂基體，降低組織的連續(xù)性，從而嚴重影響材料的硬度。材料的磨損質(zhì)量損失與硬度呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律，即隨著(C)/(W)的增加，材料的磨損質(zhì)量損失呈現(xiàn)上升的變化規(guī)律。當(C)/(W)為0.9與1.1時，材料的磨損失重較小，磨損量不超過0.02 g，耐磨性能較好；而隨(C)/(W)的增加，材料的磨損質(zhì)量損失增加，尤其是(C)/(W)達1.7時，磨損量高達0.11 g，耐磨性能急劇惡化。

圖7 C、W摩爾比對燒結(jié)試樣硬度與磨損質(zhì)量損失的影響

圖8所示為相同實驗條件下Q235鋼與不同(C)/(W)燒結(jié)試樣相對耐磨性的對比。由圖8可以看出，各燒結(jié)試樣的耐磨性相較于Q235而言都有不同程度的提高，這主要得益于硬質(zhì)顆粒與合金元素的強化作用。就軟質(zhì)的Q235而言，當硬質(zhì)磨粒在橡膠輪的帶動下不斷對其表面進行切削的時候，必然會損失掉相當一部分材料，耐磨性較差。而對本燒結(jié)試樣而言，一方面，基體固溶了大量W、C原子，其抵抗切削的能力大大增強；另一方面，硬質(zhì)WC顆粒彌散分布于基體，極大地削弱了硬質(zhì)磨粒的切削作用，故而耐磨性較好。但(C)/(W)較低時，致密相與WC顆粒協(xié)同增強，使材料的相對耐磨性較高，最高可達Q235的49倍。而(C)/(W)較高時，殘余C相影響組織連續(xù)性，進而降低材料的相對耐磨性，當(C)/(W)由1.1上升到1.3時，其相對耐磨性下降了22倍，且這樣的影響隨(C)/(W)的增加而加劇。

圖8 Q235鋼和不同C、W摩爾比燒結(jié)試樣的相對耐磨性

3 結(jié)論

1) 以鎢鐵和炭黑為反應源，以鐵為粘接相，采用真空燒結(jié)復合原位合成技術(shù)，可以成功地制備WC-Fe耐磨材料。當碳鎢原子比較低，即(C)/(W)為0.9~1.1時，材料的組織為WC++三相組織，相隨(C)/(W)的增大而減少；當碳鎢摩爾比較高，即(C)/(W)在1.3~1.7之間變化時，對應的材料的組織為WC++C三相組織，C相隨(C)/(W)的增大而增多。因此有望通過在1.1~1.3之間調(diào)整(C)/(W)來獲取理想的WC+兩相組織。

2) 在反應體系中，隨著(C)/(W)增大，粒徑較大的WC的體積分數(shù)不斷增加，而WC的平均晶粒尺寸則先顯著增加后緩慢變化。

3) 低(C)/(W)時，致密的相與WC顆?；祀s增強基體，使材料具有較高的硬度與良好的耐磨性；高(C)/(W)時，殘余的石墨相割裂基體，降低組織的連續(xù)性，惡化材料的硬度與耐磨性能。

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Effect of molar ratio of C and W on microstructure and properties of in-situ synthesized WC-Fe wear resistant materials by vacuum sintering

XIAO Yi-feng1, 2, YANG Yan1, WU Liang1, XU Yan-fei1, QIAN Jin-wen1, LI Lang-lang1, HE Yue-hui3

(1. Key Laboratory of Welding Robot and Application Technology of Hunan Province, School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 2. Engineering Research Center of Complex Tracks Processing Technology and Equipment, Ministry of Education, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China; 3. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The in-situ synthesized WC-Fe wear resistant materials with different molar ratios of C to W were prepared by vacuum sintering using ferrotungsten and carbon black as reaction source. The effects of molar ratios of C and W on microstructure and properties were studied by XRD, SEM, EDS, macro-hardness tester and abrasive wear testing technology. The results show that when the molar ratios of C to W of the materials varies from 1.1 to 1.3, the materials have a normal two-phase structure. The molar ratios of C to W of the materials is lower than 1.1, thephase appears, as when molar ratios of C to W is higher than 1.3, the C phase appears. The content and the average grain size of hard WC observably increase and then change slowly with molar ratios of C and W increase. The density, linear shrinkage and hardness of the material gradually decrease with molar ratios of C and W increase. And the wear mass loss constantly increases with increasing molar ratios of C to W.

ferrotungsten; vacuum sintering; in-situ synthesis; WC-Fe wear resistant material

Project(51271158) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(17A204) supported by the Research Foundation of Education Bureau of Hunan Province, China; Project supported by Innovative Experimental Program for College Students of Hunan Province, China

2017-06-05;

2018-01-20

WU Liang; Tel: +86-731-58292214; E-mail: csuwuliang0830@aliyun.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.07.07

1004-0609(2018)-07-1328-07

TG135

A

國家自然科學基金資助項目(51271158)；湖南省教育廳重點項目(17A204)；湖南省大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目

2017-06-05；

2018-01-20

吳 靚，副教授，博士；電話：0731-58292214；E-mail：csuwuliang0830@aliyun.com

(編輯 李艷紅)