增强相尺度调控及其对Al2O3/W-Cr复合材料性能的影响

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Al2O3/W-Cr复合材料由于其高强度、高硬度和高耐磨性而成为替代H13模具钢的最佳材料之一,然而Al2O3颗粒存在易团聚,分布不均等问题。因此本文通过化学分散法并结合两种机械破碎法抑制前驱体复合粉末的团聚,采用真空热压烧结获得Al2O3/W-Cr复合材料,对其进行物相分析和显微组织表征,并且测试了其相对密度及硬度,确定了最佳分散工艺;随后,探讨了Al2O3粒度和含量对复合材料相对密度、硬度及抗弯强度的影响;最后,利用摩擦磨损试验对复合材料的摩擦磨损性能进行了研究并分析了其磨损机制。得到以下主要结论:(1)不同类型和含量的分散剂对Al(OH)3胶体的粒度有明显的影响,加入10vol.%十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)时,分散效果最好,2wt.%聚乙二醇(PEG)次之,5vol.%十二烷基磺酸钠(SDS)最差。对于复合材料而言,非离子型分散剂PEG的分散效果最好,Al2O3颗粒粒径比不加分散剂时减小了 58.7%,复合材料的相对密度和硬度最高;与此同时,分散剂的类型对Cr单质的分散效果也很显著,加入阴离子型分散剂SDS时,Cr粉末出现大量偏聚。(2)机械振动分散和湿法球磨均能从一定程度上细化Al2O3粒子的尺寸,但相较而言机械振动分散的细化效果更为显著,主要是由于行星式球磨的高能量导致Al(OH)3/W-Cr复合粉末发生团聚,比表面积减小。采用2wt.%PEG并机械振动分散4h制备复合材料时,Al2O3粒径最小,比不加分散剂时减小了 61.30%,相对密度和硬度最高,分别为99.99%、997.42HV。(3)复合材料由W、Cr和Al(OH)3原位生成的A12O3相构成。Cr可以与基体W同时形成两种富W-(W,Cr)ss和富Cr-(Cr,W)ss固溶体,而且又能与Al2O3颗粒形成具有α-Al2O3结构的固溶体(Al,Cr)203,形成了冶金结合界面,有效的连接了基体与增强相,在一定程度上提高了复合材料的结合强度。(4)随着A12O3的增加,其尺度呈现增加的趋势,复合材料的相对密度均达到99%以上,相对W-Cr合金提高了 1%以上,主要是因为Al2O3的加入降低了烧结活化能。与此同时,复合材料的硬度,抗弯强度,均随着Al2O3含量的增加而先提高后减小,当Al2O3含量为10vol.%时,达到最佳值,较W-Cr合金,分别提高了 16.2%、28.57%,这主要是由于细晶强化作用。且计算出当Al2O3含量超过10.41vol.%时,A12O3颗粒就会开始团聚且形成弱结合界面使其易发生脱落,这也就解释了复合材料性能变化的原因。(5)Al2O3/W-Cr复合材料的体积磨损率和摩擦系数随着Al2O3含量的增加先减小后增大,当含量为10vol.%时,体积磨损率和摩擦系数最小,耐磨性最好,主要是因为加入适量的Al2O3颗粒提高了其硬度且不易脱落;材料的磨损机制由磨粒磨损为主、粘着磨损为辅逐渐转变为磨粒磨损及氧化铝脱落、伴随粘着磨损。
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