少、无粘结相超细晶WC硬质合金的制备与性能研究

论文摘要

超细晶WC-Co硬质合金，因同时具有高硬度、高抗弯强度、高耐磨性和高韧性，满足了对高性能硬质合金刀具材料越来越高的要求。而低Co超细晶硬质合金具有比常规的超细晶硬质合金更高的硬度、红硬性、耐磨性，在精密机械、特种耐磨材料、加工刀具及零件、拉拔模具等领域有更独特的优势。此外，无粘结相WC硬质合金具有WC-Co合金无可比拟的优异的耐磨性和抗腐蚀性，极佳的抛光性和抗氧化性，具有广泛的应用前景。为此，本文以前人的研究成果为基础，采用高能球磨+放电等离子烧结/热压烧结方法来制备少Co和添加微量Co的WC硬质合金。主要进行了以下几个方面的研究：（1）采用高能球磨法来制备WC-3%Co、WC-0.8%Co、WC-0.5%Co粉末，分析了高能球磨工艺对粉末颗粒形貌和粒径的影响。研究显示，WC基混合粉末经过45小时的高能球磨处理后，粉末的颗粒变得更加细小均匀，WC晶粒尺寸有所降低。采用硬质合金球磨罐和磨球可以避免球磨过程产生杂质，保证了球磨后粉末的纯度。（2）然后研究了放电等离子烧结温度和烧结压力对WC-3%Co硬质合金的组织和性能的影响规律。结果表明，随着烧结温度的升高，烧结试样的致密度升高，WC晶粒尺寸变大；当烧结温度达到1300℃时，已基本完成烧结致密化，WC晶粒开始异常长大，晶粒的尺寸不均匀性变大。在1200℃-1300℃范围内，随着温度的上升，烧结试样的维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性都相应地上升；在1300℃时达到最大值，硬度、抗弯强度、断裂韧性分别为为2257HV30、1906MPa、10.36MPa·m1/2；在1300℃以上，硬度和抗弯强度随着烧结温度的上升而下降，而断裂韧性的变化不大。当烧结温度为1300℃时，在30MPa-50MPa范围内，随着烧结压力的上升，试样的组织越来越致密，WC晶粒越来越细小均匀，因此试样的各项力学性能都相应地上升，在1300℃，50MPa时获得最佳综合力学性能，硬度为2316HV30，抗弯强度为2125MPa，断裂韧性为11.03MPa·m1/2。（3）同时研究了热压WC-3%Co硬质合金的组织和性能，比较了两种烧结工艺获得烧结试样的组织和性能。结果表明，热压烧结试样的晶粒长大进行得很充分，有部分急剧长大的晶粒，且粘结相的分布不均匀。在1450℃，50MPa时获得了较好的综合力学性能，硬度为2214HV30，抗弯强度为1387MPa，断裂韧性为10.60MPa·m1/2。因此可以得出，SPS和HP两种烧结方法分别获得的最佳综合性能试样，SPS试样的WC晶粒细小均匀，粘结相分布也更加均匀，其维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性都较高。SPS技术因其独特的烧结机制和致密化机制，在超细晶甚至纳米晶硬质合金方面具有独特的技术优势。（4）研究了烧结温度和微量Co的添加对无粘结相WC硬质合金的组织和性能的影响。结果表明随着烧结温度的升高，纯WC试样晶粒尺寸变大，当温度升高到1900℃，晶粒开始急剧长大；当温度升高到2000℃时，试样中的大部分晶粒尺寸已超过了10μm，异常长大的晶粒呈相互交错的板条状。微量Co的添加明显促进了烧结体的致密化过程，当WC-0.8%Co粉末在1500℃下烧结5min，烧结体已接近全致密化。此外，微量Co的添加也导致了部分晶粒的不均匀长大。在1800℃前，随着温度的提高，纯WC试样的硬度上升，在1800℃时达到2662HV10，1800℃后由于晶粒尺寸急剧增大，硬度迅速下降。温度对强度的影响与硬度类似，在1700℃时达到最大值1026MPa，1700℃后随温度的上升而下降。1700℃前由于试样中存在较多的孔隙，试样的断裂韧性较低，1700℃后断裂韧性的变化不大。1500℃时，在0-0.8%范围内，随着Co含量的增加，试样的各项力学性能全面上升，当Co含量为0.8%时，获得了最佳综合性能的无粘结相WC硬质合金，硬度为2546HV10，抗弯强度为1146MPa，断裂韧性为8.01MPa·m1/2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 WC 硬质合金的研究进展
• 1.3 超细晶/纳米晶 WC 粉和 WC-Co 复合粉末的制备技术
• 1.3.1 固定床反应法
• 1.3.2 溶胶-凝胶法
• 1.3.3 喷雾转化法
• 1.3.4 等离子体法
• 1.3.5 原位渗碳还原法
• 1.3.6 机械合金化法
• 1.4 超细晶 WC 硬质合金的烧结工艺
• 1.4.1 微波烧结
• 1.4.2 热等静压法
• 1.4.3 真空烧结后续热等静压工艺
• 1.4.4 放电等离子烧结（SPS）
• 1.5 研究的意义及主要内容
• 第二章 高能球磨制备 WC 基硬质合金混合粉末
• 2.1 引言
• 2.2 实验设备、材料及方法
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 实验材料及方法
• 2.3 高能球磨制备 WC 基混合粉末的实验结果及分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 超细晶 WC-3 % Co 硬质合金的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验设备
• 3.3 实验材料及方法
• 3.4 实验结果及分析
• 3.4.1 WC-3 % Co 粉末的放电等离子烧结致密化过程
• 3.4.2 放电等离子烧结工艺参数对烧结试样显微组织及性能的影响
• 3.4.2.1 烧结温度的影响
• 3.4.2.2 烧结压力的影响
• 3.4.3 热压烧结制备 WC-3 % Co 硬质合金以及两种烧结试样性能对比
• 3.4.3.1 热压烧结试样的显微组织和性能
• 3.4.3.2 两种烧结工艺的对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 超细晶无粘结相 WC 硬质合金的制备
• 4.1 引言
• 4.2 实验设备、材料及方法
• 4.2.1 实验设备
• 4.2.2 实验材料及方法
• 4.3 放电等离子烧结制备无粘结相 WC 硬质合金
• 4.3.1 WC 粉末的烧结致密化过程以及微量 Co 的添加对烧结致密化的影响
• 4.3.2 烧结温度和微量 Co 的添加对烧结试样显微组织的影响
• 4.3.3 烧结温度和微量 Co 的添加对烧结试样性能的影响
• 4.4 本章小结
• 全文结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件