随着经济和科技的不断发展,对现代工程结构材料性能的要求越来越高,越来越多样化。针对国家工程、矿山、建材机械和材料成型等领域对先进钢基复合材料的共性重大需求和先进钢基复合材料的国内外发展趋势,本文以克服制约国内先进钢基复合材料制备的科学瓶颈问题为出发点,将现有的电冶熔铸工艺方法加以改进联合研制出复合电冶熔铸的新工艺,制造出大体积、低成本、高性能的WC颗粒增强钢基复合材料。本文通过调整WC颗粒尺寸(50μm和100μm)和含量(25%、35%和45%),采用复合电冶熔铸工艺制备了四种WC颗粒增强钢基复合材料,以及5Cr Ni Mo钢。铸造后的材料经退火和锻造处理。选择950℃、1000℃、1050℃三种加热淬火温度,180℃、220℃和300℃三种回火温度,共计六种工艺对复合材料进行热处理。通过对WC颗粒增强钢基复合材料的显微缺陷、表面成分、微观组织、硬度、弹性模量、断裂韧性、冲击韧度、断口形貌、WC形态、热疲劳裂纹、摩擦系数、磨损率等进行了测试研究,评价WC颗粒增强钢基复合材料的显微组织、微观结构、增强相分布形态、界面性能、表面力学性能、弯曲性能、冲击性能、热疲劳性能和二体磨损以及三体磨损的滑动摩擦学性能。通过本文的试验研究和理论分析,得出了以下主要结论:复合电冶熔铸工艺具有高能球磨混粉均匀、电渣重熔精炼净化、电磁搅拌颗粒分散、水冷结晶逐层快速凝固等特点,制备的WC颗粒增强钢基复合材料孔隙少、致密高、无夹杂,WC颗粒分布均匀,具有很少的缺陷。WC颗粒增强钢基复合材料熔铸原始态的显微组织主要由马氏体、残余奥氏体、共晶莱氏体和各类碳化物组成。通过退火处理,长条状碳化物溶解或部分溶解在钢基体中,大块状碳化物分解细化。再经锻造处理,热稳定性较高的树枝晶、骨骼状和鱼骨状共晶组织碎化。选择淬火温度在1000℃附近,可在保证一定的强硬性同时,提升材料的综合性能。低温回火时复合材料的组织转变主要是钢基体的组织转变,包括基体内碳的偏聚、马氏体的分解、残余奥氏体的转变和碳化物的析出与偏聚球化。显微组织主要由隐晶回火马氏体、碳化物及残余奥氏体组成。存在的碳化物类型主要为原始WC颗粒、较大的Fe3W3C团块状颗粒、Fe3W3C或M7C3枝晶状碳化物、弥散分布的Fe3W3C或M23C6二次碳化物。选择220℃附近回火,在保证强硬性同时,将获得更佳的组织。WC晶粒的溶解会使WC晶粒的棱角钝化,白色的大颗粒WC周围包裹着一圈Fe3W3C的黑色条带,增加WC与钢基体间的结合强度。EBSD和EDS分析得出,经高温淬火和低温回火后,该复合材料的大角度晶界大幅提高,晶粒尺寸显著变小,晶粒分布均匀化,产生细晶强化的作用。Cr元素主要分布在钢基体中较大晶粒处,而Ni元素则主要分布在较小的晶粒处。复合材料的洛氏硬度在950℃到1050℃淬火时达到HRC 60~66,出现先上升后下降的波动。对比基体和中小块WC颗粒聚集区,大块硬质相的显微硬度变化幅度较小。热处理后钢基体的纳米硬度和弹性模量均有所提高,WC颗粒的测量值变化不大。复合材料的抗弯强度在950℃到1050℃淬火时达到1600~1650MPa,满足使用要求,并出现先上升后下降的波动。在锻造退火状态下,弯曲断口为准解理+韧窝的复合断口。淬火回火态时,复合材料表现出解理断裂+部分基体韧窝的断裂机制。25%粗颗粒WC复合材料具有较高的冲击韧度,热处理后达到14 J/cm2。WC含量越多,冲击断口的韧窝越少,逐渐从准解理过渡到解理断裂。而WC颗粒尺寸越大,WC颗粒越容易发生解理断裂。通过Sierpinski分维数的测量与计算方法进行分形研究,结果表明WC的分维数随热处理工艺的改变呈现不同的变化。高温淬火并回火时,WC的分维数由两条不同斜率的直线表示,出现两个WC的分维值,WC存在两组粒度与数量都不同的分形结构,其对应的WC颗粒区,有着不同的成分和组织结构。分维差值△D较大的对应为Fe3W3C复式碳化物,而分维差值△D较小的,则对应的WC颗粒形貌保留了锻造退火态时的性能和形态。淬火温度或回火温度越高,分维差值△D越大,WC的形貌变化越大。热疲劳裂纹孕育期较短,裂纹在V型缺口根部萌生热疲劳裂纹,其主要以一条主裂纹的形式呈不连续、间断性扩展。主裂纹的扩展方式主要为沿碳化物与钢基体界面扩展、穿过WC大颗粒和团块状碳化物扩展、沿网状碳化物链扩展、穿越WC小颗粒聚集区扩展、穿过鱼骨状碳化物扩展和穿越钢基体扩展。裂纹在试样表面扩展的主要形态为直线型、折线型或梯形、圆弧型以及分叉型,并发现“搭桥”型裂纹。热循环次数较多时,钢基体发生循环软化效应,降低了材料的热疲劳抗力。复合材料中,随着WC含量或颗粒度在一定范围内增大,摩擦系数呈提高的态势。二体磨损时,在1000℃淬火+180℃回火时,45%粗颗粒WC复合材料的耐磨性最好。磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。三体磨粒磨损时,摩擦系数在磨合期内呈现出更大的跳跃性,且磨合期比二体磨损更为延长。在950℃淬火+180℃回火时,45%粗WC复合材料的耐磨性最好。在二体磨损的环境下服役使用将发挥该复合材料的最佳耐磨性能。三体磨损的主要磨损机制为多次塑变或微观压入导致的变形层的疲劳断裂机制。综上所述,在一定的范围内,WC颗粒度越大,含量越高,则复合材料硬度越高,抗弯强度越低,抗冲击能力越差,而抗二体磨损和三体磨粒磨损性能越好。选择在1000℃附近加热淬火,220℃左右回火的45%粗颗粒WC复合材料可以获得较佳的组织结构和较优的综合性能。