离心加速度对自蔓延离心法制备WCx_Fe金属陶瓷组织的影响.pdf

。4 8 。 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 0 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．1 0 ．0 1 4 离心加速度对自蔓延离心法制备W C z ／F e 金属 陶瓷组织的影响 张育潜1 ，高峰2 ’3 1 ．西北工业大学，西安7 1 0 0 7 2 ；2 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ； 3 ．北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心，北京1 0 2 2 0 6 摘要采用自蔓延离一f l , 法制备W C 。／F e 金属陶瓷内衬钢管，研究离心加速度对金属陶瓷组织的影响。结 果表明，当离- 已, J l n 速度为5 0 9 时，涂层中存在氧化铝陶瓷相，随着离心加速度的增加，涂层组织由树枝晶 向等轴晶转变。当离心加适变为2 0 0 9 时，涂层中的硬质相呈梯度分布。 关键词自蔓延离心法；离心加速度；W C ，／F e 金属陶瓷；组织 中图分类号T G l 4 8 ；T Q l 7 4文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 1 0 0 0 4 8 0 3 E f f e c to fC e n t r i f u g a lA c c e l e r a t i o no nM i c r o s t r u c t u r eo f W C 工／F eC e r m e tP r e p a r e db yS H S C e n t r i f u g a lP r o c e s s Z H A N G Y u q i a n l ，G A OF e n 9 2 ，3 1 ．N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，X i ’a n7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ； 2 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a 3 ．B e i j i n gE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e ro fS u r f a c eS t r e n g t h e n i n ga n d R e p a i r i n go fI n d u s t r yP a r t s ，B e i j i n g1 0 2 2 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t W C 。／F ew e a r r e s i s t a n tl i n e dc o m p o s i t ep i p e sw e r ep r e p a r e db yS H S - C e n t r i f u g a t i o n ．E f f e c to f c e n t r i f u g a la c c e l e r a t i o no nt h ec e r m e tm i c r o s t r u c t u r ew a ss t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta l u m i n ac e r a m i c s s t a yi nc e r a m i cl a y e rw h e nt h ec e n t r i f u g a la c c e l e r a t i o ni s5 0 9 ．C e r m e tm i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m sf r o md e n d r i t et oe q u i a x e dg r a i nw i t ht h er i s eo fc e n t r i f u g a la c c e l e r a t i o n ．W i t ht h ec e n t r i f u g a la c c e l e r a t i o no f2 0 0 9 ， h a r dp h a s ep r e s e n t sg r a d i e n td i s t r i b u t i o ni nc o a t i n g ． K e yw o r d s S H S - c e n t r i f u g a l ；c e n t r i f u g a la c c e l e r a t i o n ；W C ／F ec e r m e t ；m i c r o s t r u c t u r e 高放热自蔓延高温合成 S H S 体系的燃烧温度 常超过燃烧产物的熔点，燃烧后的产物是熔体，将这 种S H S 体系与常规的冶金方法结合产生了S H S 冶 金技术[ 1 ≈] 。其中，自蔓延离心法主要用于复合内衬 钢管[ 4 。7 ] 的制备，并已实现了工业应用。内衬材料主 要包括不锈钢、金属陶瓷、陶瓷和金属间化合物等。 S H S 离心法操作简单，易实现自动化，产品的致密 度高、纯度高、附加值高，在国内已经获得了广泛的 应用。金属陶瓷内衬复合钢管的耐蚀性、耐冲击性 能都优于氧化物陶瓷内衬钢管，应用前景广阔。离 心力是自蔓延离心工艺的重要控制参数，离心力大 小不仅影响体系的燃烧方式、放热量，而且对内衬涂 层的性能也有明显的影响，而国内针对性的研究较 少。本文主要讨论离心力对自蔓延离心法制备金属 陶瓷内衬涂层中耐磨相组织的影响。 收稿日期2 0 1 3 0 6 2 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 0 1 0 1 7 作者简介张育潜 1 9 8 1 一 ，男，江西景德镇人，博士研究生；通信作者高峰 1 9 7 7 一 ，男，山东泰安人，高级工程师 万方数据 2 0 1 3 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 9 1 试验部分 试验原料为粒度7 4 ～1 4 0 “m 的工业纯铝粉、 三氧化钨粉和氧化铁粉[ 8 ] ，以及费氏粒度3t z m 的 化学纯石墨粉。将三氧化钨、铝粉、氧化铁、石墨粉 末按摩尔比1 1 4 1 混合后装人材质为4 5 号钢 的①1 3 3m m 2 0 0m m 4m m 钢管中，两端用开孔 石墨片封堵[ 6 ] ，装卡在离心机上，开动离心机，调整 转速，点燃原料。通过调整离心机转速改变试验过 程中的离心力大小，试验中采用离心加速度分别为 5 0 9 、8 0 9 、l O O g 、1 5 0 9 和2 0 0 9 g 为重力加速度，g 一 9 ．8m ／s 2 。反应结束后，去除反应产生的氧化铝陶 瓷层，得到衬层厚度约2m m 的F e - W - C 金属陶瓷复 合钢管。最后利用扫描电镜观察金属陶瓷层的组织。 2 试验结果及讨论 不同离心加速度下得到的涂层的显微组织如图 1 所示。 a i - l H 【lJ br ’“ cI c ’g 1 。j 、g t 【‘g 图1不同离心加速度下涂层的典型组织 F i g ．1T y p i c a lm i c r o s t r u c t u r eo fc o a t i n gu n d e rd i f f e r e n t c e n t r i f u g a la c c e l e r a t i o n 由图1 可见，当离心力较小时 离心加速度为 5 0 9 涂层中间的典型组织为较为粗大的树枝晶，涂 层中还混有氧化铝颗粒 图1 a 中黑点 ，枝晶生长的 方向接近平行。随着离心力的增大 离心加速度为 8 0 9 ，氧化铝夹杂与高温熔体彻底分离，涂层中已经 看不到氧化铝夹杂 图1 b ，涂层中间位置依然会有 树枝晶，但此时的树枝晶已经变得比以前细小，枝晶 的生长方向有交错。当离心力进一步增大时，如图 1 C 所示，枝晶已经变得不明显，当离心加速度大于 1 5 0 9 时，涂层中已经看不到树枝晶 图l d 、l e 。 在S H S 离心法制备熔铸涂层过程中，离心力起 着重要的作用，它对燃烧过程和凝固过程都有一定 的影响。与离心铸造类似，S H S 离心法制备的涂层 在凝固过程中受离心力的影响，S H S 反应结束后， 在离心力的作用下，产物根据密度不同，产生了相分 离，同时高温熔体降温，开始发生凝固。离心铸造过 程中浇入铸型的液体金属中常会带有固态夹杂物、 未完全分离的氧化铝、混和在熔体中的气泡、先生成 的晶粒，这些构成了熔体中的异相质点。由于异质 相点与周围液体金属的密度不同，在重力场中，这些 质点就可能在液体金属中上浮或者下降，上浮或者 下降的速度u 重可以用S t o c k s 公式表示 ，，。一生 巳 二巴 竖 啮一气写一 式中d 为异相质点的直径；』D 为异相质点的密度；I D z 为液体金属的密度；叩为液体金属的动力黏度系数； g 为重力加速度。 如果P l D z 则可重为正值，口重表示异相质点的下 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 0 期 沉速度。如果P 1 l D z ，口重为负值，u 重表示异相质点 的上浮速度。在离心场作用下，与重力场中的情况 相似，密度比液体金属小的异相质点将沿直径向圆 心方向移动，密度比液体金属大的质点将向远离圆 心的方向移动，其移动速度也可以用S t o c k s 公式计 算，但在离心力场中，一切质点都按重力系数加重， 由式 1 可得离心铸造时的S t o c k s 公式 可离一监前鲨 2 将式 2 除以式 1 ，可得 堕一血G 3 口重g 由式 3 可知，在离心铸造时，异相质点在液体 金属中的运动速度比在重力场中大G 倍，因此在离 心铸造所得铸件中的夹杂气孑L 等缺陷要比重力铸造 少得多。本试验为自蔓延反应体系，反应生成的氧 化铝密度小于液态金属，在离心力作用下向圆心方 向移动，高温熔体中析出的晶粒，密度大于液态金 属，在离心力作用下远离圆心移动。 离心力较小时，细小的氧化铝来不及与熔体分 离，涂层中的树枝晶沿散热方向长大。随着离心力 的增大，离心力对高温熔体的作用变得明显，由于距 圆心半径不同，液态金属的各层之间的线速度不同， 因此可能出现紊流或层流。一方面层流使得长成的 树枝晶被剪切破碎，同时层间紊流使得温度不同或 密度不同的组分随液体金属作紊乱运动，而层流使 得异相质点沿径向移动成为可能，同时紊流加快了 液相之间的传热及温度均匀化，使得熔体内形成适 宜的温度场。由于熔体的流动为树枝晶的生长提供 了更多的核心，枝晶开始变得细小，当离心力足够大 时，涂层中树枝晶就不再长大而是向等轴晶转变。 在熔体中生成的颗粒受两个力作用，径向的离 心力以及相反方向的黏滞力，这两种力的平衡可以 用下式表示[ 9 ] m 鲁一l P ，一p cI 丌∽G g s 妒鲁 m s 夏丁一l s l 了丌 虿 吆一3 7 n 7 u 万 4 G 一4 R o N 式中，m 为质量 k g ，P 。为固体颗粒密度 k g ／c m 3 ， p 。为液态熔体密度 k g ／c m 3 ，G 为质点所受的离心 力与重力的比值，R 。为质点距圆心半径 m ，N 为旋 转角速度，d x ／d t 为颗粒运动速度 m ／s ，d 2 x ／d t 2 为 颗粒运动加速度 m ／s 2 ，g 为重力加速度 g ／s 2 ，叩 为液态熔体的黏度 P a s 当离心力较小时，熔体中的颗粒受力平衡，颗粒 移动不明显，当离心力较大时，颗粒运动明显，较大 尺寸的颗粒受力大，容易朝基体方向移动，小尺寸颗 粒随后，随着离心力的继续增加，涂层中的硬质颗粒 可能会呈梯度分布。如图1 e 所示，当离心加速度为 2 0 0 9 时，涂层中硬质相组织呈梯度分布。 3结论 离心加速度对自蔓延离心法制备的涂层组织影 响明显，当离心加速度为5 0 9 时，氧化铝残留在金属 陶瓷涂层中，涂层内主要组织为树枝晶；随着离心加 速度的增大涂层内的等轴晶开始增多，当离心加速度 在1 5 0 9 时，涂层内组织主要为等轴晶；当离心加速度 大于2 0 0 9 时，涂层中颗粒呈明显的梯度分布。 参考文献 I - 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