烧结扩散与电弧反应合成WCp增强铁基涂层的组织均匀性及其性能

The traditional wear-resistant materials are difficult to meet modern industry performance requirements while the WCp reinforced iron matrix composite coating material is an effective way to solve this problem. As the existence of decomposition, pollution and high-cost when adding WC directly, it is a new choice to adopt the way of powder reactive synthesis by tungsten-riched raw materials. With the object of the situ synthesized WC particles, the project is to do basic scientific research on the factors and law of coating uniformity and mechanical properties, proposing to put the low-cost ferrotungsten or tungsten powders and graphite as the main raw material and to make non-slag flux cored wire after vacuum sintering diffusion, than, WC particle reinforced iron matrix composite coating materials was fabricated by electric arc reaction synthesis with it，based on the basic principles of powder metallurgy and welding metallurgy. This proposal mainly to study the formation thermodynamics and kinetics conditions of the enhanced phase, characteristics of interface and reaction mechanism, the interface stability and the influencing factors of which, the crack resistance of the coating material, affecting factors of hardness and wear resistance, wear mechanisms, to reveal the law between the characteristics of raw materials, alloys ratio, process parameters and microstructure and properties of coating, to explore the new principle to enhance and improve the microstructure and properties of the coating. With the implementation of this proposal, it will effectively solve long-standing problem of the uniformity of coating microstructure for welding material, and provide theoretical basis to promote the widely using of refractory metal carbide particles reinforced iron matrix composites.

传统耐磨材料难以满足现代工业的综合性能使用要求，WCp增强铁基复合涂层材料是解决该问题的有效途径。但外加WC 存在分解、污染和成本高等问题，采用富W原料粉末反应合成制备技术成为新的选择。本项目以原位合成的WC颗粒为研究对象，对涂层组织及其均匀性、力学性能的影响因素及其规律进行基础科学研究，提出主要以廉价的钨铁(或钨粉)＋石墨为主要原料,经真空烧结扩散后制成无渣药芯焊丝，采用电弧反应合成WCp增强铁基复合涂层材料，研究增强相生成热力学与动力学条件、界面特征与反应机制、界面稳定性及其影响因素、涂层材料的抗裂性、硬度及耐磨性的影响因素及磨损机制，揭示原料特征、合金配比、工艺参数与涂层组织和性能之间的规律，探索提高涂层组织和性能的新方法。该项目能有效解决焊接材料长期存在的组织不均匀的难题，为推动难熔金属碳化物颗粒增强铁基复合材料的广泛应用提供理论基础。

磨损是造成材料失效的主要方式之一，它酿成巨大的损失与浪费，因此有必要研究开发性能良好的耐磨材料。WC颗粒增强铁基复合材料就是其中的一种成功的应用，而原位合成的WC颗粒增强铁基复合材料更因其独特的优势成为国内外学者研究的重点。我们针对用不同的钨源进行复合材料制备的问题进行深入的探讨。首先，本项目的第一个部分以外加WC颗粒为对象，着重研究Cr、TiC、Co与C对材料组织与性能的影响，为后续的原位合成WC颗粒增强铁基复合材料鉴定基础。再次，以W粉为钨源反应制备WC颗粒增强铁基复合材料，进行钨碳烧结扩散的热力学分析，并研究预烧结、制备工艺以及硼铁、钒铁等对WC复合涂层组织和性能的影响；研究电弧反应条件下，以WO3为钨源反应制备WC颗粒增强铁基复合材料；以FeW为钨源反应制备WC颗粒增强铁基复合材料，研究C/W、Si含量、非均质形核以及热处理对原位合成过程中的扩散机制与物相变化以及反应生成的WC的形貌、数量与分布的影响。揭示原料特征、合金配比、工艺参数与材料组织和性能之间的规律，探索提高材料组织和性能的新方法。研究表明以低成本的W粉、WO3和FeW为钨源配以适当含量的石墨粉或碳粉均可以原位合成以WC或WC和Fe3W3C颗粒增强的铁基复合材料；添加适当含量的Cr、TiC、硼铁、钒铁和硅铁等均可以调节其组织和性能；理论研究的成果可以很好地指导耐磨新产品的开发，申请的发明专利因其成本低、组织均匀性和耐磨性可有效调节而具有很好的应用前景。