CN108588566B - 一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种FexWyC‑Bainite成分和组织双梯度复合材料。传统陶瓷‑金属复合材料耐磨性与韧性相矛盾，此消彼长的现象非常严重。该FexWyC‑Bainite成分和组织双梯度复合材料按垂直于基板表面沿高度方向梯度变化，成分依次为铁基均质材料、5vt％Co/WC‑Fe复合材料、10vt％Co/WC‑Fe复合材料，形成了成分梯度；同时各梯度层基体发生不同程度的贝氏体相变，分别生成了贝氏体组织、贝氏体+碳化物、贝氏体+碳化物+马氏体/奥氏体混合组织，最终实现了成分和组织双重梯度结构，形成了成分和组织双重梯度复合材料，使材料兼备了贝氏体(Bainite)材料的韧性和金属化合物(FexWyC)的耐磨性。本发明降低了材料内部热应力，解决了金属材料耐磨性与韧性难以匹配的问题，形成了成分和组织双重梯度复合材料。

Description

一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料
技术领域
本发明属于复合材料领域，涉及一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料。
背景技术
随铁路运输向重载化、高速化方向发展，载运工具对钢轨的挤压、冲击愈发严重，钢轨在复杂载荷下易发生磨损、断裂等损伤而过早失效，这就要求钢轨材料具有更高的耐磨损性能及冲击韧性，来适应铁路的发展。
通常情况下，材料的耐磨性与韧性是两个相互排斥的性能。传统的金属材料具有较好的冲击韧性，但耐磨损性能不足，普通的复合材料具有较高的耐磨损性能，但冲击韧性不足。故两者都不能满足钢轨材料的性能要求，开发一种兼备耐磨性与韧性的新型材料具有重大的工程意义。
近年来兴起的功能梯度材料，是一类通过结构和组成要素的连续或准连续变化，来获得性能随之呈梯度变化的非均质复合材料。普通的功能梯度材料通过简单的成分梯度设计，可以获得梯度方向上某种性能的梯度变化。随着社会的发展，人们对材料性能的需求越来越苛刻，希望通过材料成分梯度设计，能够实现多种性能的梯度变化。当梯度材料成分梯度变化时，各种性能的提高可能相互矛盾(耐磨性与韧性)，这使传统的成分梯度设计难以满足材料综合性能的需要。
与传统的功能梯度材料相比，成分和组织双重梯度复合材料更具优势，它是综合材料成分设计和制备工艺各自特点，通过复合材料的增强体成分梯度和基体组织梯度分别调控，从而使材料具有成分及组织的双重梯度变化特点，实现各自性能的综合提高。这种双重梯度设计在调控思路上是相互独立的，在调控方法上又可以综合交叉，使材料整体具有优良的综合性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料，该材料致密可靠、成分与组织呈现了双重梯度变化，材料整体兼顾了韧性与耐磨性。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料，所述双重梯度复合材料的梯度结构由复合材料增强体的成分梯度和基体的组织梯度构成；各梯度层不同含量的WC加入，形成不同含量的FexWyC金属间化合物增强体，形成了增强体的成分梯度；各梯度层基体含有多种组织，且组织含量、尺寸均呈现出了梯度变化，形成了组织梯度；双重梯度复合材料具有高耐磨抗冲击的性能特点，且硬度呈现出梯度变化的趋势。
所述双重梯度复合材料中，沿材料梯度变化方向，基体成分变化范围为 100vt％～85vt％，增强体成分变化范围为0vt％～15vt％。
所述双重梯度复合材料的成分主要由铁基合金粉和钴包碳化钨粉末混合而成。
所述铁基合金粉的粒度为50～100μm，化学成分为：C：0.35～0.45wt％， Si：0.60～0.85wt％，Mn：0.70～0.90wt％，Cr：0.60～0.90wt％，Ni：1.60～1.80 wt％，Mo：0.50～0.70wt％，Al：1.00～1.30wt％，其余为铁和不可避免的杂质；所述钴包碳化钨粉末的粒度为50～100μm，化学成分为：12wt％Co，WC为余量。
进一步地，所述各梯度层基体发生不同程度的贝氏体相变，分别生成了贝氏体组织、贝氏体+碳化物、贝氏体+碳化物+马氏体/奥氏体混合组织。
进一步地，所述双重梯度复合材料中，沿材料梯度变化方向，贝氏体组织的含量及尺寸呈递减趋势，M/A组织、FexWyC的含量及尺寸呈递增趋势。
进一步地，所述双重梯度复合材料的硬度沿材料高度方向从335HV0.2梯度增加至498HV0.2。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所提供的FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料，按垂直于基板沿高度方向，材料的成分与组织均呈现出梯度变化趋势。一方面，成分梯度化缓和了材料热应力，增强了复合材料的耐磨性；另一方面，组织梯度化使材料同时具备了贝氏体材料的韧性和金属间化合物-铁基复合材料的耐磨性。两者综合，使材料兼备了贝氏体(Bainite) 材料的韧性和金属化合物(FexWyC)的耐磨性；降低了材料内部热应力，解决了金属材料耐磨性与韧性难以匹配的问题，形成了成分和组织双重梯度复合材料。
附图说明
图1为FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料结构示意图；
图2为FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料横截面宏观形貌；
图3为双重梯度复合材料第一梯度层微观形貌SEM图；
图4为双重梯度复合材料第二梯度层微观形貌SEM图；
图5为双重梯度复合材料第三梯度层微观形貌SEM图。
具体实施方式
下面通过具体实施案例来进一步说明本发明。但这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料，所述双重梯度复合材料的梯度结构由复合材料增强体的成分梯度和基体的组织梯度构成；各梯度层不同含量的WC加入，形成不同含量的FexWyC金属间化合物增强体，形成了增强体的成分梯度；各梯度层基体含有多种组织，且组织含量、尺寸均呈现出了梯度变化，形成了组织梯度；双重梯度复合材料具有高耐磨抗冲击的性能特点，且硬度呈现出梯度变化的趋势。
所述双重梯度复合材料中，沿材料梯度变化方向，基体成分变化范围为 100vt％～85vt％，增强体成分变化范围为0vt％～15vt％。所述双重梯度复合材料中，沿材料梯度变化方向，贝氏体组织的含量及尺寸呈递减趋势，M/A组织、 FexWyC的含量及尺寸呈递增趋势。
所述双重梯度复合材料的成分主要由铁基合金粉和钴包碳化钨粉末混合而成。所述铁基合金粉的粒度为50～100μm，化学成分为：C：0.35～0.45wt％， Si：0.60～0.85wt％，Mn：0.70～0.90wt％，Cr：0.60～0.90wt％，Ni：1.60～1.80 wt％，Mo：0.50～0.70wt％，Al：1.00～1.30wt％，其余为铁和不可避免的杂质；所述钴包碳化钨粉末的粒度为50～100μm，化学成分为：12wt％Co，WC为余量。
所述各梯度层基体发生不同程度的贝氏体相变，分别生成了贝氏体组织、贝氏体+碳化物、贝氏体+碳化物+马氏体/奥氏体混合组织。
所述双重梯度复合材料的硬度沿材料高度方向从335HV0.2梯度增加至 498HV0.2。
本实施例中还提供了上述FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料的制作方法及性能测试，其具体实施步骤如下：
a.原料选择与处理：
所采用的铁基自熔性合金粉末，粒度为50～100μm，化学成分为：C：0.35～0.45wt％，Si：0.60～0.85wt％，Mn：0.70～0.90wt％，Cr：0.60～0.90wt％，Ni：1.60～1.80wt％，Mo：0.50～0.70wt％，Al：1.00～1.30wt％，其余为铁和不可避免的杂质。
所采用的Co/WC的粒度为50～100μm，化学成分为：12wt％Co，WC为余量。
对铁基合金粉、钴包碳化钨粉末进行筛分、烘干处理，之后按预先设计的配比将两种粉末混合，并采用球磨工艺将两者混合均匀。
b.基板预处理：采用线切割机将U75V轨头切割成80mm×60mm×8mm的板型件，并进行喷砂处理。
c.加热处理：为避免材料冷速过快而发生马氏体相变，在制备过程中采用恒温加热平台对基板进行持续加热处理，加热平台温度设置为320℃。
d.激光沉积：激光沉积时，采用高纯氩保护，工艺参数为：功率800W，扫描速度300mm/min，送粉速度为15g/min。采用多道多层叠加沉积方式，每种材料沉积6道3层，搭接率为40％。
e.等温淬火处理：激光沉积完成后，立刻将度复合材料进行等温淬火处理，采用盐浴等温的方法，盐液成分为NaNO2、KNO3等比例混合，等温温度为350℃，等温时间为3h。
f.空冷处理：复合材料按预定的工艺等温处理后，从炉中取出，空冷至室温。
g.组织形貌观察：切取双梯度材料横截面，进行打磨、抛光、腐蚀后，观察到如图2所示的横截面形貌；采用SEM对各梯度层进行研究，微观组织如图 3、4、5。
h.采用HV-1000IS型硬度计测试材料硬度，载荷0.2kg，加载时间10s。测试表明，双重梯度复合材料的硬度沿高度方向呈现梯度增加的趋势，底层硬度最低(335HV0.2)，顶层硬度最高(498HV0.2)。
I.采用M-2000型磨损试验机对双梯度复合材料及基板进行测试，摩擦状态为干系滑动摩擦，压力500N，对磨轮转速400r/min。测试表明，双重梯度复合材料的耐磨性是基板的4倍以上。
j.采用PTM2200-11型冲击试验机测试双梯度复合材料及基板的冲击吸收功，试验尺寸55mm×5mm×10mm，开“U”型缺口，室温25℃。测试表明，双重梯度复合材料的室温冲击吸收功是基板冲击吸收功的3倍。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料，其特征在于：所述双重梯度复合材料的梯度结构由复合材料增强体的成分梯度和基体的组织梯度构成；各梯度层不同含量的WC加入，形成不同含量的FexWyC金属间化合物增强体，形成了增强体的成分梯度；各梯度层基体含有多种组织，且组织含量、尺寸均呈现出了梯度变化，形成了组织梯度；双重梯度复合材料具有高耐磨抗冲击的性能特点，且硬度呈现出梯度变化的趋势；
所述双重梯度复合材料中，沿材料梯度变化方向，基体成分变化范围为100vt%～85vt%，增强体成分变化范围为0vt%～15vt%；
所述双重梯度复合材料的成分由铁基合金粉和钴包碳化钨粉末混合而成；
所述铁基合金粉的粒度为50～100μm，化学成分为：C：0.35～0.45 wt%，Si：0.60～0.85wt%，Mn：0.70～0.90 wt%，Cr：0.60～0.90 wt%，Ni：1.60～1.80 wt%，Mo：0.50～0.70 wt%，Al：1.00～1.30 wt%，其余为铁和不可避免的杂质；所述钴包碳化钨粉末的粒度为50～100μm，化学成分为：12wt%Co，WC为余量。
2.如权利要求1所述的一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料，其特征在于：所述各梯度层基体发生不同程度的贝氏体相变，分别生成了贝氏体组织、贝氏体+碳化物、贝氏体+碳化物+马氏体/奥氏体混合组织。
3.如权利要求1或2所述的一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料，其特征在于：所述双重梯度复合材料中，沿材料梯度变化方向，贝氏体组织的含量及尺寸呈递减趋势，M/A组织、FexWyC的含量及尺寸呈递增趋势。
4.如权利要求1所述的一种FexWyC-贝氏体成分和组织双重梯度复合材料，其特征在于：所述双重梯度复合材料的硬度沿材料高度方向从335HV0.2梯度增加至498HV0.2。
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