专利名称：钨丝原位生成碳化钨颗粒铁基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钨丝原位生成碳化钨(wc)颗粒铁基复合材料，该复合材料可适用于冶金、矿山、建材等行业的耐磨部件。
背景技术：
碳化铸颗粒增强铁基复合材料具有较高的硬度、高的抗弯强度和优 良的断裂韧性，因此在切削冶金、矿山、建材等方面有较广泛的应用。 在制备时，通常是将碳化钩颗粒加入到基体中，称为外加增强相法。外 加增强相法的弊端是(1)颗粒与基体的界面的污染和附着物的产生，会使 基体与增强颗粒结合力降低；(2)颗粒在基体中的均匀性分布较差；(3)增 强颗粒的比例受到限制，而且有尖角的颗粒对基体有割裂作用；(4)制备工艺复杂，常常在高温下保持较长的时间，造成碳化钨颗粒明显粗化，从而不 能获得细的晶粒结构和高的机械性能，这一切都会影响到复合材料的性质。 针对外加颗粒增强复合材料在制备时的一些问题，人们提出了原位生成 合成法，即通过元素之间或者元素与化合物之间生成增强体颗粒的方法，避 开界面污染问题，达到与基体的良好结合。目前在铁基方面的原位生成硬质相的研究主要集中在TiC、 VC、 TiB2,这是因为Ti、 V为比较强的碳化物、 硼化物形成元素，容易与C、B形成化合物，而W为较弱的碳化物元素， 与C生成碳化钨的难度较大，再者形成的碳化钨(l)易于Fe反应形成复相化 合物。因此研究的人较少。但是碳化钨颗粒增强的铁基复合材料的耐磨性较 好，在成本上较经济，是一种较佳的复合材料。 发明内容-本发明要解决的技术问题是提供一种钨丝原位生成碳化钩(wc)颗粒铁基复合材料，该复合材料碳化钨颗粒与基体铁的界面是反应形成的,不存在 污染问题，能够达到复合材料与基体的良好结合。为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，它包括由生成的碳化钨颗粒,未反应完全的钨丝以及灰铁基体组成，其特征是所述生成的碳化钩颗粒 以未反应的钨丝为中心，分布在钨丝周围，并镶嵌于基体中；所述生成碳化 钨颗粒的复合层为钨丝网与铁基中的石墨型碳发生反应而生成的。所述钨丝选用①0. 2 0. 4mm的纯钨丝材编制成网孔为20 80目的筛网。 本发明要解决的另一个技术问题是提供该钩丝原位生成碳化鸨颗粒铁 基复合材料的制备方法。为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，将3 7层钨丝网叠加到一起，压紧，放到石墨坩埚内，然后将石墨坩埚 及其中的钨丝网在低于500'C的情况下预热；将灰铁水在1250 130(TC之间， 浇注到坩埚内并渗入钨丝网的间隙，在1147 1153'C之间，保温6 15min， 之后按10 25'C/min的冷却速度降至室温。所述钨丝选用00. 2 0. 4mra的纯钨丝材编制成网孔为20 80目的筛网。所述作为基体的灰口铸铁碳量为3.5%-4.0%。钨丝生成碳化钨(l)的生成率i 的计算公式为其中^0、 ^"分别为单根钨丝在反应前后的截面积。本发明的技术设想是 一方面，W与C的结合力强于Fe和C的结合力，这为在铁基体中，碳与钨的反应生成碳化钩提供了可能。另一方面，原位合成 通常采用石墨为反应物，而灰口铸铁在高温时能形成较多的片状石墨，设想这些石墨片与钨反应，则会生成碳化钩。 本发明的有益效果是本发明是一种原位生成碳化钨颗粒增强铁基复合材料，将灰口铸铁水浇 注到层叠的金属钨丝(2)网上，铁水渗透到钩丝网的间隙，片状石墨在基 体中的分布较均匀，片状石墨越多，越细，越均匀，那么与钩反应的机率就越大，形成碳化钨的量就越多。根据Fe-C相图分析要形成片状石墨，可 将熔体在高温时保温一段时间，并缓慢冷却，因为在1147"C 1153匸之间可 形成石墨相，故选择该区间为保温范围。在一定温度下，通过灰口铸铁中的石墨相与钨丝发生反应，生成碳化钩 颗粒，得到由反应生成的碳化钨(1)以及灰口铸铁基体(3)组成的复合材 料。利用灰口铸铁中的共晶石墨和奥氏体脱碳后形成的二次石墨与金属W发 生反应，由于在1147t以上，碳原子的活性较强，反应较易进行，不存在界 面污染，这正体现了原位生成反应的特点。灰口铸铁中的碳作为合成WC的 碳源，不需单独的添加石墨来作为碳源。
图l为本发明复合前的横截面图； 图2为本发明复合后的横截面图；具体实施方式
本发明耐磨层的厚度由钩丝网(2)的层数确定。 实施例l:钨丝原位生成3层碳化钨颗粒增强灰口铸铁基(其含碳当量为3.5%)复合材料第一步将钨丝网3层叠加，压紧，放置在石墨坩埚(4)内的底部，再将石墨坩埚(4)放置在电阻炉内预热到40(TC。如图1所示。第二步将灰口铸铁在1280'C时(碳当量为3.5y。时，熔点大约在1220'C左 右)，浇入到石墨坩埚(4)内，然后在115(TC的电阻炉内保温6min后，再按15 。C/min的速率降温到80(TC，取出自然冷却至室温。第三步从石墨坩埚(4)内将其取出就得到复合材料，复合层为一簇簇碳 化钨(1)颗粒均匀的镶嵌于基体(3)中，如图2所示。其碳化钨(l)的生成率/ 为25.36%。 实施例2:其他条件与实施例l相同，当第二步中在1147'C的电阻炉内保温6min后， 再按15tVmin的速率降温到80(TC，取出自然冷却至室温时，其碳化钨(l)的 生成率i 为16.13 %。(理论解释如下:当温度降到1147。C时，因为过冷度 较大，同时出现石墨共晶和渗碳体共晶，导致形成的石墨相减少，从而使 生成的碳化钩量减少)。 实施例3:其他条件与实施例l相同，当第二步中在1153'C的电阻炉内保温6min后， 再按15'C/min的速率降温到80(TC，取出自然冷却至室温时，其碳化钨(1) 的生成率^为18.10%。(理论解释如下:当温度达到1153时,因为石墨共晶 才开始形成,即形成的石墨相不多；再者铁与钨间的反应加剧，使生成的碳化 钩量减少))。实施例4:钨丝原位生成6层碳化钨颗粒增强灰口铸铁基(其含碳当量为4.0%)复合材料其步骤与实施例l相同，只将钩丝网(2)变为6层叠加，由于复合层加厚，铁水要完全渗入到钨丝网间隙，碳当量增加时，灰口铸铁的熔点降低大约为1180'C，浇注温度应选为1250'C,然后在1150士3。C的电阻炉内保温10min 后，再在炉内按l(TC/min降温到80(TC，取出自然冷却至室温。这主要是鸨 丝量增加，反应量加大，需要更多的石墨，时间延长，降温速度降低均是让 较多的钨与碳反应。其碳化钨(l)的生成率/ 为69.04%。 实施例5:其他条件与实施例4相同，当第二步中在1147t:的电阻炉内保温6min后， 再按15'C/min的速率降温到80(TC,取出自然冷却至室温时，其碳化鹆(l)的 生成率及为47.50%。(理论解释如下:当温度降到1147"C时，因为过冷度较 大，同时出现石墨共晶和渗碳体共晶，导致形成的石墨相减少，而使生成的 碳化钨量减少)。实施例6:其他条件与实施例4相同，当第二步中在1153'C的电阻炉内保温6min后， 再按15t/min的速率降温到80(TC，取出自然冷却至室温时，其碳化鸨(l)的 生成率i 为51.22%。(理论解释如下:当温度达到1153时，因为石墨共晶才 开始形成，即形成的石墨相不多;再者铁与钨间的反应加剧，使生成的碳化钩 量减少)。浇注温度的确定的依据是灰口铸铁的含碳当量为3.5%，熔点在1220°(:左 右，含碳当量为4.0%时，熔点为118(TC左右，为保证较好的渗透性，熔体在 浇注时过热70-80'C效果较好。保温温度确定的依据是根据Fe-C合金双重相图，当温度处于1147'C 1153'C之间时，此时熔体的过冷度较小，石墨共晶体的生长速度大于渗碳体 共晶体的生长速度，能形成较多的细小石墨，利于碳与钨的反应进行；高于1153'C时形不成石墨相，低于1147'C形成渗碳体，消耗掉大量的碳，使碳与钨 的反应机率降低。本发明是要将石墨与钨丝反应，只有形成石墨，才可能生成 碳化钨，因此确定此温度为保温的温度区间。
权利要求
1、一种钨丝原位生成碳化钨颗粒增强铁基复合材料，它包括由生成的碳化钨颗粒，未反应完全的钨丝以及灰铁基体组成，其特征是所述生成的碳化钨颗粒以未反应的钨丝为中心，分布在钨丝周围，并镶嵌于基体中；所述生成碳化钨颗粒的复合层为钨丝网与铁基中的石墨型碳发生反应而生成的。
2、 根据权利要求l所述的钩丝原位生成碳化钩颗粒铁基复合材料，其特征是: 所述钨丝选用00. 2 0. 4mm的纯钨丝材编制成网孔为20 80目的筛网。
3、 一种权利要求l所述的钩丝原位生成碳化钩颗粒铁基复合材料的制备方 法，其特征是将钨丝网叠加到一起，压紧，放到石墨坩埚内，然后将石墨坩埚及其中的钨丝网在低于50(TC的情况下预热；将灰铁水在1250 130(TC 之间，浇注到坩埚内并渗入钨丝网的间隙，在1147 1153。C之间，保温6 15min，之后按10 25'C/min的冷却速度降至室温。
4、 根据权利要求3所述的钨丝原位生成碳化钩颗粒铁基复合材料的制备方 法，其特征是将3 7层钨丝网为叠加到一起。
5、 根据权利要求3或4所述的钨丝原位生成碳化鸽颗粒铁基复合材料，其特 征是所述钨丝选用00. 2 0. 4mm的纯钩丝材编制成网孔为20 80目的筛网。
6、 根据权利要求3所述的钨丝原位生成碳化钨颗粒铁基复合材料的制备方 法，其特征是所述作为基体的灰口铸铁碳量为3.5%-4.0%。
全文摘要
本发明公开了一种钨丝原位生成碳化钨颗粒铁基复合材料，它包括由生成的碳化钨颗粒，未反应完全的钨丝以及灰铁基体组成，其特征是所述生成的碳化钨颗粒以未反应的钨丝为中心，分布在钨丝周围，并镶嵌于基体中；所述生成碳化钨颗粒的复合层为钨丝网与铁基中的石墨型碳发生反应而生成的。本发明还公开了该钨丝原位生成碳化钨颗粒铁基复合材料的制备方法。该复合材料碳化钨颗粒与基体铁的界面是反应形成的，不存在污染问题，能够达到复合材料与基体的良好结合。
文档编号B22D23/04GK101270435SQ20081001759
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月4日 优先权日2008年3月4日
发明者牛立斌, 许云华 申请人:西安建筑科技大学