外加电磁场对原位合成WC机制的影响

牛立斌，郭建光，赵 勇，弓旭东，刘 丹，龙裕轩

（西安科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710055）

碳化钨（WC）具有较高的比刚度、比模量、低热膨胀系数及与铁基体具有良好的润湿性等优点，所制备的金属基复合材料在航空、航天、冶金、矿山、电力、建材等行业用途较为广泛，因而成为材料研究和开发的热点[1-3]。但由于WC颗粒的弥散性及高温稳定性较差，从而影响到材料性能的发挥。尽管通过原位合成的方法可得到热力学稳定、尺寸细小、分布均匀、界面洁净与基体结合良好的增强体[4]，但对在主体元素为Fe的基体中，由于热力学和动力学条件很难同时满足，易形成多种复相脆性碳化物（M6C/M23C6）[5]。因此，如何减少这些脆性相的生成，促进稳定、简单碳化钨颗粒的形成，成为一个难题。本文通过对合成体系施加一定的电磁场，探究了外加电磁场对原位合成WC机制的影响，以期为制备WC颗粒增强钢/铁基复合材料提供依据。

1 试验过程

试验研究的基体材料为灰口铸铁，用来提供反应所需的碳源，其化学成分：C 3.90%，Si 1.12%，Mn 0.64%，P 0.024%，S 0.020%，其余为Fe（质量分数），金属钨丝用来提供钨源，为了更好地解释钨源量对反应的影响，编织了三种规格的钨丝网，其横向间距分别为0.3 mm，0.5 mm，0.8 mm，纵向间距均为8.0 mm。为了比较电磁场对原位合成WC的影响，同时进行了两组试验，每组三个规格的试验。首先将金属钨丝网固定于石墨坩埚的底部，并预热到150℃，再浇铸温度为1 300±20℃的灰口铸铁熔体，然后迅速将第一组石墨坩埚放到恒定温度为1 200±10℃的电阻炉内，将第二组石墨坩埚放入到特定功率和频率（5～8 kW，3～5 kHz）的电磁场中，通过程序控制，确保石墨坩埚的温度在1 200±10℃内，反应一定时间后，同时取出两组坩埚，并冷却至室温，然后对所得试样进行显微组织和物相分析。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织分析

未施加电磁场时，得到的显微组织如图1所示，当钨丝间距为0.3 mm时，钨丝反应量较小，未能形成明显的颗粒状产物，只在距离钨丝较远处，形成少许细小的颗粒，距离钨丝较近的地方，形成的产物连成一片；当间距为0.5 mm时，反应量变大，有明显颗粒出现；继续加大间距至0.8 mm，钨丝已经反应完全，但依然没能形成所期望的弥散分布的组织，表明在半固态时，通过改变钨源的体积分数（钨丝的间距改变，类同于改变合成源的体积分数），并不能确保反应产物的弥散分布，这其中必有其他原因。

为探究原位反应WC的机制，对合成体系施加一定的电磁场，得到组织如图2所示。随着钨丝间距增大，虽然反应量变化不明显，但颗粒数量明显增多，且分布范围增大，表明电磁场作用对反应产物的量和弥散性分布有较大影响，但需说明的是，要得到分散性更好的WC颗粒增强复合材料，仍需对合成工艺进行优化，对电磁场下的合成热力学、动力学条件进行分析。

对于间距为0.5 mm的复合试样，在施加电磁场前后的XRD分析（图3），可以看出，主要包括α-Fe和WC两种物相，未检测到石墨相。对两种情况下的物相进行能谱分析，如表1所示，基于XRD和EDS的综合考虑，认为合成的物质为WC颗粒。

图1 未施加电磁场所得试样显微组织Fig.1 Microstructure of the sample without electromagnetic field

图2 施加电磁场所得试样显微组织Fig.2 Microstructure of sample with electromagnetic field

图3 施加电磁场前后的XRD结果Fig.3XRDresultsofsampleswithandwithoutelectromagneticfield

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

2.2 共同点

（1）无论有无电磁场作用，复合区均没有发现明显的气孔或其他缺陷，表明在半固态凝固前，灰口铸铁基体能充满钨丝网的间隙，从而确保了复合材料组织致密性。

（2）在未复合区，得到的是由片状石墨+铁素体组成的典型灰口铸铁组织[6]。复合区的石墨数量很明显的少于未复合区石墨的数量，这是由于大量的碳原子在形成石墨片之前，已经和钨原子发生反应，导致在凝固和冷却过程中，形成石墨片数量较少，已超出了XRD仪的精度范围（≤0.005°），故在XRD图谱中没能检测到石墨峰。

（3）在残余钨丝的周围，形成的粒状产物大多呈现为三角形或四边形。

2.3 不同点

（1）未施加电磁场得到的显微组织，可分为基体区、反应区及未反应的残余钨丝三个区域，且随着钨丝间距的增大，反应量逐渐变大，反应区逐渐增大，残余钨丝区不断缩小。而施加电磁场后得到的显微组织，可分为四个区域：即基体区、反应区、过渡区及未反应区，且过渡区较为明显，无论钨丝的间距多大，反应量的多少，在颗粒和未反应的钨丝之间均存在一个明显的过渡区域，这与未施加电磁场所得试样的显微组织大不相同。

（2）尽管与期望的均匀分布还存在一定差距，但施加电磁场后得到的颗粒分散性明显优于未施加电磁场时的分散性，且残余钨丝与反应产物区的界面光滑度不一致。

（3）从表1可以看出，无论有无电磁场作用，形成的WC颗粒中均含有一定量的Fe元素，这主要是在液相中首先析出MC1-x，在冷却过程中不稳定的MC1-x经过了内部转变形成WC，而Fe仍嵌在其中，所以检测出含有少量的Fe但是反应后的组织有所不同[7]。但是施加电磁场后，得到的WC颗粒中Fe含量略低于未施加电磁场所得WC颗粒中Fe含量，其原因是电磁场促使铁原子的扩散速度加快，故在WC颗粒中的残留量少些。

3 外加电磁场对原位合成WC机制的影响

由于钨与铁基体的润湿性较好，当金属钨丝与半固态的基体最初接触时，钨丝表面的原子在半固态的基体中迅速溶解，在钨丝的周围很快形成一个富钨富碳的Fe-W-C三元体系微小区域，在该区域内，由于钨、碳浓度均较大，同时满足了热力学和动力学条件[8-9]，很容易形成固态的WC颗粒。由于其熔点较高，以固态颗粒的形式存在，随着颗粒的增多，堆积越来越明显，扩散通道逐渐被堵塞，造成W、C原子扩散较慢，没有足够的碳原子与迎面扩散过来的钨原子反应，导致反应动力明显不足，故后期难以形成WC颗粒。此时若施加一个电磁场：（1）促使形成的WC颗粒分散开，确保W、C原子扩散的通道顺畅，使扩散可持续进行，形成较多的WC颗粒，而铁原子由于没有参与反应，顺利的经过扩散通道，继续向钨丝中心扩散，最后形成了只有铁和钨原子的过渡层。（2）促使电磁力的存在，使钨丝表面的钨原子活性增加，减小了钨丝的表面张力，加之与熔体较好的润湿性，从而使钨原子能够快速地从表面脱附，进入熔体中，利于形成一个区域更大的富钨富碳的Fe-W-C三元体系微区，因此起初的WC颗粒分布区域较广；（3）增加了搅拌作用，使微区内的浓度起伏较大，提高了微区的原子混乱度，导致反应熵增加，从而WC颗粒容易形核[10]；因此在半固态中，施加电磁场，明显提高了钨和碳之间反应几率，利于简单WC的生成。同时，电磁搅拌可加速晶核周围的传热而使过热度迅速消失，可使已形成的WC颗粒在高温时稳定存在[11]。

4 结论

通过对有无电磁场作用下，得到的原位反应复合组织分析，可得到以下结论：

（1）无外磁场作用时，改变反应源的体积分数量，并不能形成分散性较好的WC颗粒；施加电磁场后，不但可形成更多的WC颗粒，而且颗粒的分散性明显增加。

（2）无论反应源的体积分数如何变化，电磁场作用下，所得到的组织涉及基体区、反应区、过渡区及未反应的残余钨丝区；而未施加电磁场所得组织中，不存在过渡区。

（3）电磁场的搅拌作用，利于形成一个区域更大的富钨富碳的Fe-W-C的三元体系微区；能确保扩散通道的通畅，使扩散可持续进行；促使微区的浓度起伏，促进了WC颗粒的形成。

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