铜基表面镍基耐磨减摩熔渗层的微区组织特征与摩擦学性能的研究

The wear-resistant infiltrated functional layer was fabricated through infiltration casting technology on copper substrate on the basis of combination of wear-resisting composite materials thoery and infiltrating casting technology.The interface between the surface infiltrated layer and substrate realized metallurgical fusion. This research based on the application of large copper parts using as sliding friction parts is going to be carried on, so as to improve their fabricating technology level and parts' survice life.The micro-area metallurgical fusion process between the preform layer and substrate melt and the complicated Physical chemistry change will be studied during the Ni/WC/G infiltrated composite layer forming process. The effect of infiltrating casting parameters on the micro-area metallurgical and microstructural characteristic at the interface bwteen the surface infiltrated layer and substrate and among the infiltrated layer are going to be studied in detail.The diffusion characteristic of main elements such as Ni,Cr and Cu at the interface will be analyzed.The coupling relation between microstructure charactristic/phases' form or fraction and the mechanics performance/elevated temperature performance/wear performance is going to be investigated systematically.The quantificational microstructure-performance model is tried to set up based on the influncing mechanism of infiltration parameter on wear performance, which will offer technical base for the industrial application of wear resistant infiltrated layer on copper substrate.

以大型铜合金滑动摩擦部件为对象,将耐磨减摩复合材料理论与铸渗技术相结合，实现具有冶金结合特点的铜合金表面耐磨减摩功能层改性，提高大型铜合金滑动摩擦部件的制备技术水平和使用寿命。研究铜合金表面Ni/WC/G耐磨减摩熔渗层形成过程中预制层与基体金属液瞬时微区冶金熔合过程及其中复杂的物理化学变化；探讨铸渗工艺参数对渗层与基体界面结合处微区冶金特性及渗层内距离界面不同位置处的微区冶金及微观组织结构特征的影响特性，分析界面处主要元素Ni、Cr、Cu的互扩散特性；揭示熔渗层中微区组织结构特征及相的存在形态、相体积分数等与渗层的力学性能、高温性能及摩擦学性能之间的耦合关系；揭示铸渗工艺参数对其摩擦学性能的影响机制，尝试建立以滑动摩擦性能为目标的定量结构- - 性能关系模型，为铜基表面铸渗技术的工业化应用提供技术基础。

采用铸渗技术在铜合金表面制备了Ni/WC/G复合熔渗层，熔渗层包括扩散影响区（50-300μm）、冶金熔合区（50-100μm）、过渡层（1mm）以及复合层区（1-2mm），扩散影响区的相组成以铜基固溶体为主，冶金熔合区在微观组织形貌中呈白亮带，该区域主要相组成为铜基固溶体、镍基固溶体及CrB、Ni3Si、Ni3B等，过渡层区主要组成相为镍基固溶体、CrB、Ni3Si、Ni3B Cr7C3、Cr23C6等，复合层区呈现网状类织构组织结构特征，过渡层与复合层区的厚度取决于预制层的厚度，扩散影响区和冶金熔合区厚度取决于复合层区添加相含量，添加相含量越高扩散影响区和冶金熔合区的厚度越小，在复合层区镍基合金颗粒之间的接触界面区域、冶金熔合区和过渡层区均存在共晶组织。40%WC+6%G的镍基复合熔渗层的宏观硬度可达HRC51.5，而基体仅为HRB130左右，扩散影响区与冶金熔合区的存在使得自基体至熔渗层表面的显微硬度呈梯度变化，过渡层区的平均显微硬度为HV700左右，复合层区的平均显微硬度随WC、G含量的增加而升高；镍基熔渗层在弯曲时熔渗层位于下方即受拉应力时裂纹延伸至基体，添加WC和G颗粒后在受拉应力弯曲过程中出现平行于熔渗层表面的微裂纹，在承受压应力时其最大弯曲强度可达520MPa，远高于纯基体的弯曲强度，复合区断口形貌显示为沿晶脆性断裂，基体区域为韧性断裂。复合熔渗层的高温氧化性能与基体相比提高2倍，WC含量超过40%以后其抗高温氧化性大幅降低；热疲劳行为表明复合熔渗层在循环130次时均不会脱落，复合熔渗层具有优异的承受高温与激冷的苛刻要求。摩擦磨损性能结果显示复合熔渗层的磨损率与基体相比降低10倍左右，摩擦系数并无明显的大幅升高，在不同载荷及摩擦频率条件下磨损表面出现不同程度的石墨与氧化物构成的膜层，该膜层的存在有效降低摩擦系数与减少磨损，复合熔渗层的最佳WC含量为20-40%，石墨含量为2-4%左右。.本项目研究采用铸渗技术在获得零部件的同时获得表面Ni/WC/G复合熔渗层的零件成型与表面功能材料层一次成型的新型表面功能材料制备思维，并对复合熔渗层的力学性能、高温性能、摩擦磨损性能进行了有益探索与研究，为该技术的进一步理论研究及推广应用提供强有力的技术基础。完成项目的研究内容，发表学术论文7篇，其中SCI 论文2篇，EI 论文5篇，申请相关发明专利一项。