外加電磁場對原位合成WC機制的影響

牛立斌，郭建光，趙 勇，弓旭東，劉 丹，龍裕軒

（西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710055）

碳化鎢（WC）具有較高的比剛度、比模量、低熱膨脹系數(shù)及與鐵基體具有良好的潤濕性等優(yōu)點，所制備的金屬基復合材料在航空、航天、冶金、礦山、電力、建材等行業(yè)用途較為廣泛，因而成為材料研究和開發(fā)的熱點[1-3]。但由于WC顆粒的彌散性及高溫穩(wěn)定性較差，從而影響到材料性能的發(fā)揮。盡管通過原位合成的方法可得到熱力學穩(wěn)定、尺寸細小、分布均勻、界面潔凈與基體結合良好的增強體[4]，但對在主體元素為Fe的基體中，由于熱力學和動力學條件很難同時滿足，易形成多種復相脆性碳化物（M6C/M23C6）[5]。因此，如何減少這些脆性相的生成，促進穩(wěn)定、簡單碳化鎢顆粒的形成，成為一個難題。本文通過對合成體系施加一定的電磁場，探究了外加電磁場對原位合成WC機制的影響，以期為制備WC顆粒增強鋼/鐵基復合材料提供依據(jù)。

1 試驗過程

試驗研究的基體材料為灰口鑄鐵，用來提供反應所需的碳源，其化學成分：C 3.90%，Si 1.12%，Mn 0.64%，P 0.024%，S 0.020%，其余為Fe（質量分數(shù)），金屬鎢絲用來提供鎢源，為了更好地解釋鎢源量對反應的影響，編織了三種規(guī)格的鎢絲網(wǎng)，其橫向間距分別為0.3 mm，0.5 mm，0.8 mm，縱向間距均為8.0 mm。為了比較電磁場對原位合成WC的影響，同時進行了兩組試驗，每組三個規(guī)格的試驗。首先將金屬鎢絲網(wǎng)固定于石墨坩堝的底部，并預熱到150℃，再澆鑄溫度為1 300±20℃的灰口鑄鐵熔體，然后迅速將第一組石墨坩堝放到恒定溫度為1 200±10℃的電阻爐內(nèi)，將第二組石墨坩堝放入到特定功率和頻率（5～8 kW，3～5 kHz）的電磁場中，通過程序控制，確保石墨坩堝的溫度在1 200±10℃內(nèi)，反應一定時間后，同時取出兩組坩堝，并冷卻至室溫，然后對所得試樣進行顯微組織和物相分析。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織分析

未施加電磁場時，得到的顯微組織如圖1所示，當鎢絲間距為0.3 mm時，鎢絲反應量較小，未能形成明顯的顆粒狀產(chǎn)物，只在距離鎢絲較遠處，形成少許細小的顆粒，距離鎢絲較近的地方，形成的產(chǎn)物連成一片；當間距為0.5 mm時，反應量變大，有明顯顆粒出現(xiàn)；繼續(xù)加大間距至0.8 mm，鎢絲已經(jīng)反應完全，但依然沒能形成所期望的彌散分布的組織，表明在半固態(tài)時，通過改變鎢源的體積分數(shù)（鎢絲的間距改變，類同于改變合成源的體積分數(shù)），并不能確保反應產(chǎn)物的彌散分布，這其中必有其他原因。

為探究原位反應WC的機制，對合成體系施加一定的電磁場，得到組織如圖2所示。隨著鎢絲間距增大，雖然反應量變化不明顯，但顆粒數(shù)量明顯增多，且分布范圍增大，表明電磁場作用對反應產(chǎn)物的量和彌散性分布有較大影響，但需說明的是，要得到分散性更好的WC顆粒增強復合材料，仍需對合成工藝進行優(yōu)化，對電磁場下的合成熱力學、動力學條件進行分析。

對于間距為0.5 mm的復合試樣，在施加電磁場前后的XRD分析（圖3），可以看出，主要包括α-Fe和WC兩種物相，未檢測到石墨相。對兩種情況下的物相進行能譜分析，如表1所示，基于XRD和EDS的綜合考慮，認為合成的物質為WC顆粒。

圖1 未施加電磁場所得試樣顯微組織Fig.1 Microstructure of the sample without electromagnetic field

圖2 施加電磁場所得試樣顯微組織Fig.2 Microstructure of sample with electromagnetic field

圖3 施加電磁場前后的XRD結果Fig.3XRDresultsofsampleswithandwithoutelectromagneticfield

表1 原位合成WC顆粒的成分分析Tab.1 Component analysis of in-situ WC composites

2.2 共同點

（1）無論有無電磁場作用，復合區(qū)均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔或其他缺陷，表明在半固態(tài)凝固前，灰口鑄鐵基體能充滿鎢絲網(wǎng)的間隙，從而確保了復合材料組織致密性。

（2）在未復合區(qū)，得到的是由片狀石墨+鐵素體組成的典型灰口鑄鐵組織[6]。復合區(qū)的石墨數(shù)量很明顯的少于未復合區(qū)石墨的數(shù)量，這是由于大量的碳原子在形成石墨片之前，已經(jīng)和鎢原子發(fā)生反應，導致在凝固和冷卻過程中，形成石墨片數(shù)量較少，已超出了XRD儀的精度范圍（≤0.005°），故在XRD圖譜中沒能檢測到石墨峰。

（3）在殘余鎢絲的周圍，形成的粒狀產(chǎn)物大多呈現(xiàn)為三角形或四邊形。

2.3 不同點

（1）未施加電磁場得到的顯微組織，可分為基體區(qū)、反應區(qū)及未反應的殘余鎢絲三個區(qū)域，且隨著鎢絲間距的增大，反應量逐漸變大，反應區(qū)逐漸增大，殘余鎢絲區(qū)不斷縮小。而施加電磁場后得到的顯微組織，可分為四個區(qū)域：即基體區(qū)、反應區(qū)、過渡區(qū)及未反應區(qū)，且過渡區(qū)較為明顯，無論鎢絲的間距多大，反應量的多少，在顆粒和未反應的鎢絲之間均存在一個明顯的過渡區(qū)域，這與未施加電磁場所得試樣的顯微組織大不相同。

（2）盡管與期望的均勻分布還存在一定差距，但施加電磁場后得到的顆粒分散性明顯優(yōu)于未施加電磁場時的分散性，且殘余鎢絲與反應產(chǎn)物區(qū)的界面光滑度不一致。

（3）從表1可以看出，無論有無電磁場作用，形成的WC顆粒中均含有一定量的Fe元素，這主要是在液相中首先析出MC1-x，在冷卻過程中不穩(wěn)定的MC1-x經(jīng)過了內(nèi)部轉變形成WC，而Fe仍嵌在其中，所以檢測出含有少量的Fe但是反應后的組織有所不同[7]。但是施加電磁場后，得到的WC顆粒中Fe含量略低于未施加電磁場所得WC顆粒中Fe含量，其原因是電磁場促使鐵原子的擴散速度加快，故在WC顆粒中的殘留量少些。

3 外加電磁場對原位合成WC機制的影響

由于鎢與鐵基體的潤濕性較好，當金屬鎢絲與半固態(tài)的基體最初接觸時，鎢絲表面的原子在半固態(tài)的基體中迅速溶解，在鎢絲的周圍很快形成一個富鎢富碳的Fe-W-C三元體系微小區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，由于鎢、碳濃度均較大，同時滿足了熱力學和動力學條件[8-9]，很容易形成固態(tài)的WC顆粒。由于其熔點較高，以固態(tài)顆粒的形式存在，隨著顆粒的增多，堆積越來越明顯，擴散通道逐漸被堵塞，造成W、C原子擴散較慢，沒有足夠的碳原子與迎面擴散過來的鎢原子反應，導致反應動力明顯不足，故后期難以形成WC顆粒。此時若施加一個電磁場：（1）促使形成的WC顆粒分散開，確保W、C原子擴散的通道順暢，使擴散可持續(xù)進行，形成較多的WC顆粒，而鐵原子由于沒有參與反應，順利的經(jīng)過擴散通道，繼續(xù)向鎢絲中心擴散，最后形成了只有鐵和鎢原子的過渡層。（2）促使電磁力的存在，使鎢絲表面的鎢原子活性增加，減小了鎢絲的表面張力，加之與熔體較好的潤濕性，從而使鎢原子能夠快速地從表面脫附，進入熔體中，利于形成一個區(qū)域更大的富鎢富碳的Fe-W-C三元體系微區(qū)，因此起初的WC顆粒分布區(qū)域較廣；（3）增加了攪拌作用，使微區(qū)內(nèi)的濃度起伏較大，提高了微區(qū)的原子混亂度，導致反應熵增加，從而WC顆粒容易形核[10]；因此在半固態(tài)中，施加電磁場，明顯提高了鎢和碳之間反應幾率，利于簡單WC的生成。同時，電磁攪拌可加速晶核周圍的傳熱而使過熱度迅速消失，可使已形成的WC顆粒在高溫時穩(wěn)定存在[11]。

4 結論

通過對有無電磁場作用下，得到的原位反應復合組織分析，可得到以下結論：

（1）無外磁場作用時，改變反應源的體積分數(shù)量，并不能形成分散性較好的WC顆粒；施加電磁場后，不但可形成更多的WC顆粒，而且顆粒的分散性明顯增加。

（2）無論反應源的體積分數(shù)如何變化，電磁場作用下，所得到的組織涉及基體區(qū)、反應區(qū)、過渡區(qū)及未反應的殘余鎢絲區(qū)；而未施加電磁場所得組織中，不存在過渡區(qū)。

（3）電磁場的攪拌作用，利于形成一個區(qū)域更大的富鎢富碳的Fe-W-C的三元體系微區(qū)；能確保擴散通道的通暢，使擴散可持續(xù)進行；促使微區(qū)的濃度起伏，促進了WC顆粒的形成。

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