【摘 要】
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导卫装置是轧钢生产线上的重要组成部分,对钢材的生产效率和质量影响极大,但现有的导卫材料易断裂或高温耐磨性差,难以满足高温高速摩擦环境下的使用需求。本课题以掺杂微量碳氮化钛（Titanium carbonitride,TiCN）颗粒和氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）粉末,采用等离子烧结（Spark plasma sintering,SPS）技术制备出rGO/TiCN-W-Cu复合材料
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导卫装置是轧钢生产线上的重要组成部分,对钢材的生产效率和质量影响极大,但现有的导卫材料易断裂或高温耐磨性差,难以满足高温高速摩擦环境下的使用需求。本课题以掺杂微量碳氮化钛（Titanium carbonitride,TiCN）颗粒和氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）粉末,采用等离子烧结（Spark plasma sintering,SPS）技术制备出rGO/TiCN-W-Cu复合材料,并对其组织结构,性能进行研究,期望满足导卫材料在耐磨性方面的需求。本文通过化学镀铜的方法制备了铜包覆钨复合粉末,采用SPS技术探究了不同烧结工艺对复合材料组织结构及性能的影响,并对复合材料在高温环境下以及腐蚀介质中的摩擦磨损性能进行了研究。研究结果表明:通过化学镀的方法成功制备出表面结构良好,镀层结构致密的铜包覆钨复合粉末。采用SPS技术在烧结温度为1050℃,保温时间为6 min,TiCN为1.5wt.%,GO为0.3 wt.%条件下制备出rGO/TiCN-W-Cu复合材料,致密度达到最高98.6%,硬度达到236.53 HV,相比W-Cu复合材料分别提升了4.3%和34.2%。适量的GO可以改善W、Cu两相之间的润湿性,促进W颗粒的重新排布,生成的WC中间相可以增强W-Cu界面结合强度,且TiCN颗粒能钉扎位错,弥散于基体中起强化作用,因而获得致密而均匀的组织,提高了致密度与硬度。rGO/TiCN-W-Cu复合材料比W-Cu复合材料拥有更好的常温与高温耐磨性能。在25℃时,rGO/TiCN-W-Cu复合材料的磨损率和摩擦系数较W-Cu复合材料分别降低了64%和51.9%。700℃时,较W-Cu复合材料分别降低了60%和58%。这是因为前者更高的基体强度能够更好的抵抗塑性变形,且在TiCN颗粒的“钉扎”效应下,rGO易在磨损面形成润滑膜,提升材料耐磨减摩性。在高温下,材料表面的硬质颗粒被粘结相Cu连接经碾压后形成硬质摩擦层,起到耐磨减摩的作用。rGO/TiCN-W-Cu复合材料的磨损机制以磨粒磨损和疲劳磨损为主,随着温度的升高,逐渐出现黏着磨损与氧化磨损。rGO/TiCN-W-Cu复合材料在HCl溶液环境中的摩擦系数最小,磨损机制以黏着磨损为主,在Na Cl溶液环境中的磨损率最小,以磨粒磨损为主。复合材料在HCl溶液中具有较强的钝化能力,腐蚀后会形成疏松的钝化层,但是随着腐蚀磨损的进行,HCl中的Cl-对钝化层的持续侵蚀会造成钝化层的多孔性,因此钝化层对复合材料的保护作用有限。不同载荷条件下,复合材料在15 N时摩擦系数最小,磨损机制以黏着磨损为主。载荷越大,复合材料的磨损率越大。在不同转速下,复合材料的摩擦系数和磨损率均在转速为200 t/min时最小,磨损机制以黏着磨损为主。rGO/TiCN-W-Cu复合材料摩擦系数的变化主要受到氧化膜组成的连续摩擦层的影响,磨损率的变化主要受到磨损行为的影响。
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