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铁合金虽应用广泛,但其强度仍不足。基于此,为强化铁基合金表面,获得综合力学性能,本文利用铁合金自身高碳含量,通过渗碳表面改性处理,以期达到强韧化表面目的。本文采用等温退火工艺,通过扩散控制的原位反应在固态下三组温度1000℃、1050 ℃和1100 ℃C分别保温1 h、2h、3h、4h和5h制备铁基合金表面碳化钨硬质合金层;采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)表征硬质层组织和物理、化学特性;基于Gibbs自由能和扩散理论讨论相转化及WC-Fe和W2C层生长动力学;基于经典理论描述碳化钨晶粒形核、生长和形貌演化;通过压痕法评估硬质层的承载能力;基于实验和摩擦学理论分析硬质层和基体在干摩擦下的磨损行为。本文旨在揭示碳化钨硬质层形成机理及准确评估其力学性能,获得以下结论:制备的三组试样,1100℃硬质层及界面缺陷(孔隙、微裂纹)减少,组织得到了优化,其总层厚从52.20±1.94 μm到197.86±2.23μm。相比于类似钢铁基/碳化钨涂层制备技术,本文采用的工艺简单、经济。硬质层相组成为W2C、Fe2W2C、Fe3W3C、WC和αα-Fe。WC是主导相,少量αα-Fe存在于WC/WC之间,W2C与W毗邻,W2C和WC-Fe之间为复相碳化物Fe2W2C或Fe3W3C。由于受温度影响,发生Fe2W2C→Fe3W3C转变。W2C、Fe3W3C、WC二维尺寸随退火时间而增加且WC增加速率最快;由晶粒生长引起的晶界偏转角为0～15°;W2C和WC晶面取向皆为{0001},Fe3W3C晶面取向为{0001}或{1010}。再者,碳化物晶向发生转变,WC:[0110]→[1210];W2C:[0001]→[01T0];Fe3W3C:[001]→[101]。这些均表明工艺参数对碳化物晶粒择优生长取向影响显著。W2C率先形成,WC作为第二个相出现。WC快速生长,而W2C向WC转化,导致大量WC和少量W2C同时存在且形成双层结构。W2C向WC转变的一个原因是W2C的共析分解。WC-Fe层生长完全服从抛物线规律,但W2C层生长不完全遵循抛物线规律,因为W2C在生长的同时也在被消耗。碳在W2C和WC-Fe层内的扩散机制是晶界扩散,扩散系数变化依赖于温度且DwC-Fe>DW2C。WC-Fe层生长活化能为286.71 kJ/mol,是W2C层的3倍(81.62 kJ/mol),表明原位生成WC-Fe层比W2C层需要克服较高的能量势垒。所获W2C和WC-Fe层厚度与退火时间、温度的函数关系可预测二者的生长规律,为实现可控性制备和应用做指导。碳钨晶粒XRD结果显示随工艺参数变化,W和W2(C均向WC转变,相转化次序为W→W2C→WC。晶粒棱柱面长度L和基面半径r的平均值随温度、时间而增加。再者,1100 ℃发现硬质层内WC晶粒{0001}和{0110}晶面析出相的形核现象:(a){0l10}晶面沿<0001>方向一维形核;(b){0001}晶面内二维平面形核;(c)多层结构{0001}晶面二维台阶形核。这些形核方式相互配合,在很大程度上促进了碳化钨形成,加速了WC-Fe层厚化。此外,晶粒三维形貌包括六棱柱、三棱柱、长方体、盘状和多层结构。由于晶体不同晶面之间的竞争生长,导致形态变化。原位生长碳化钨晶粒粗化动力学研究表明:粗化速率依赖于温度,其值为K1000℃=9.98(μm3/h),K1050℃=42.56(μm3/h),K1100℃=442.07(μm3/h);由于析出相的拖拽效应降低了母相粗化驱动力,故粗化能垒较高(554.64 kJ/mol)。扩散控制的粗化机制导致晶粒相互镶嵌、共生生长,不同于Ostwald ripening粗化机理。纳米压痕结果显示1050 ℃下退火4 h硬质层的硬度和杨氏模量分别为18.66±1.57～29.84±8.17 GPa和524.20±45.23～662.23±126.26 GPa。硬质层发生断裂的临界载荷是450 mN,断裂韧性值为3.08 MPa·m1/2气由于压痕尺寸效应,维氏压头加载下,1050 ℃退火4 h和1100 ℃退火5 h硬质层的断裂韧性值随载荷变化分别是1.85～3.44 MPa·m1/2和4.88～6.16 MPa·m1/2。外在韧化机制是裂纹偏转和桥联。相比于1050 ℃,1100 ℃试样的韧性提高,主要归因于显微结构优化、碳化钨晶粒互相镶嵌以及晶面析出相,这些内在因素能抑制裂纹萌生和扩展,起到韧化效果。磨损结果表明WC-Fe层和基体的摩擦系数先增加后减小、最后达到稳定态。硬质层磨损率是基体的1.8.5%～34.3%,有效地提高了基体表面耐磨性。WC-Fe层损伤方式是颗粒变形、拔出、碾碎、疲劳断裂;基体则为塑性变形、犁沟、脱落、材料移除。硬质层磨损机理为磨粒磨损:小载荷时表面微凸起引起低应力两体磨粒磨损;较大载荷时磨屑引发高应力三体磨粒磨损。基体磨损机理为粘着磨损,并伴随磨粒磨损。