WC-Co梯度硬质合金的设计、制备及其性能研究

论文摘要

传统均匀硬质合金材料由于其各部分的成分和组织均匀,其硬度和韧性之间存在着尖锐的矛盾,制约了其应用领域的进一步扩大,难以满足现代社会发展对硬质合金提出的“双高”（高硬度,高韧性）要求,所以,研发新型功能梯度硬质合金材料以满足工具不同的部位具有不同的使用功能要求显得尤为重要。为此,本文在国家自然科学基金的资助下,与国有大型硬质合金公司合作,利用有限元分析软件（Marc）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）、电子探针（EPMA）和图像分析软件（Q550）等现代材料分析与测试手段,以残余热应力为对象进行梯度结构设计,渗碳处理制备梯度硬质合金,对缺碳硬质合金的组织和性能、渗碳处理过程中的组织转变、梯度形成机理、工艺参数对梯度硬质合金组织和性能的影响、以及梯度硬质合金的裂纹扩展、断裂韧性和高温强度进行了系统研究,得到以下主要结论:1)提出以质量百分含量作为模型的基本参数,建立了适合梯度硬质合金成分分布函数、弹性系数、热膨胀系数和热导率模型,预测值与试验结果吻合很好;用MARC有限元软件对YG6梯度硬质合金的残余应力进行数值模拟计算,计算结果与XRD实测值基本一致;YG6梯度硬质合金的梯度结构最优化设计的微观结构为:梯度层厚度为半径的20%～30%,梯度分布指数p的取值在1.5～2.5之间,钴含量峰值在12%～16%之间。2)碳含量影响缺碳合金中η相的类型、含量、分布和WC的形状。Co3W3C相出现在缺碳程度相对较小的合金中,其含量随碳含量的增大而增大;与之相反,Co6W6C相出现在缺碳程度相对严重的合金中,其含量随碳含量增大而减少;合金中η相总量随碳含量增大而线性减少:随着缺碳程度的增加,合金中η相的分散均匀性变差,并且η相趋于形成大块状;WC大多呈现多角特征。3)气压烧结缺碳硬质合金的组织和性能优于真空烧结缺碳硬质合金的组织和性能;气压烧结后期有效地控制渗碳气氛能够直接烧结渗碳制备梯度硬质合金;部分Ni替代Co作为粘结相的WC-6（xNiyCo）缺碳硬质合金的组织和性能接近于相同缺碳量的WC-6Co缺碳合金的组织和性能,以此作为渗碳前驱体可制备模具或轴承用无磁或低磁梯度硬质合金。4)采用缺碳硬质合金,成功地研究出一种制备高性能梯度硬质合金的简单渗碳万法。梯度组织的特征是合金表层和次表层的η相已经完全消失,为正常的WC+γ两相组织,并在合金的表层形成了一个贫钴区,次表层形成了一个富钴区;合金的芯部依然是没有多大变化的含η相组织。梯度组织的形成主要受碳扩散、碳和η相反应、W原子向合金表面迁移、液相压力差和WC晶粒长大导致的毛细管力等影响。5)梯度结构的形成导致合金的硬度和断裂韧性在截面上自外至内呈连续梯度变化;梯度结构的形成有利于提高合金的强度和断裂韧性。梯度硬质合金通过钴含量的梯度分布、引入表面压应力、促使裂纹偏转和桥接等方式增韧,获得了较好的综合性能。6)梯度硬质合金的高温强度较传统均匀硬质合金和缺碳硬质合金要显著提高。随温度升高,宏观断口表面趋于平整,穿晶断裂比例下降,沿晶断裂的比例增加。梯度硬质合金的高温强度缓慢下降是由于合金中形成了钴相梯度分布结构,表层钴含量低使得钴的高温软化和氧化造成的强度降低减小、表层中钴固溶了较多的W带来的强化作用及温度升高使得残余拉应力降低等共同作用的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 硬质合金简介
• 1.1.1 硬质合金概述
• 1.1.2 硬质合金分类
• 1.1.3 硬质合金烧结过程与组织
• 1.2 我国硬质合金的现状及存在的问题
• 1.3 传统均匀硬质合金的矛盾特性及相应新进展
• 1.3.1 传统均匀硬质合金的矛盾特性
• 1.3.2 硬质合金的新进展
• 1.3.3 功能梯度硬质合金
• 1.4 梯度硬质合金的设计
• 1.4.1 成分分布模型
• 1.4.2 物性参数模型
• 1.4.3 残余热应力模拟
• 1.5 梯度硬质合金的制备技术
• 1.5.1 固相烧结+后续处理法
• 1.5.2 液相烧结法
• 1.5.3 热压法
• 1.5.4 微波烧结
• 1.5.5 电火花烧结法
• 1.5.6 电泳沉积法
• 1.5.7 气氛处理法
• 1.5.8 熔渗法
• 1.6 梯度硬质合金的力学性能研究
• 1.6.1 残余应力研究
• 1.6.2 硬质合金的硬度和横向断裂强度
• 1.6.3 硬质合金的裂纹扩展和断裂韧性
• 1.7 本研究的目的、意义与研究内容
• 第二章 试验方法与设备
• 2.1 引言
• 2.2 工艺选择分析
• 2.2.1 工艺流程
• 2.2.2 初始总碳含量
• 2.2.3 烧结温度和渗碳温度
• 2.2.4 烧结时间和渗碳时间
• 2.3 试验原料
• 2.4 试样制备
• 2.5 检测分析方法
• 第三章 梯度硬质合金物性参数模型研究及结构优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 梯度硬质合金物性参数模型研究
• 3.2.1 成分分布函数模型研究
• 3.2.2 弹性模量与泊松比模型研究
• 3.2.3 热膨胀系数模型研究
• 3.2.4 热导率模型研究
• 3.3 残余热应力数值计算
• 3.3.1 MARC有限元软件简介
• 3.3.2 残余热应力数值计算模型
• 3.3.3 梯度层厚度对残余热应力的影响
• 3.3.4 梯度分布指数对残余热应力的影响
• 3.3.5 钴含量峰值对残余热应力的影响
• 3.4 残余热应力的实验测定
• 3.4.1 试验方法
• 3.4.2 计算与试验结果比较
• 3.5 梯度硬质合金材料结构设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 梯度硬质合金渗碳前驱体的组织与性能
• 4.1 引言
• 4.2 缺碳硬质合金烧结后的相变与组织研究
• 4.2.1 实验
• 4.2.2 缺碳硬质合金的相变
• 4.2.3 缺碳硬质合金η相含量及其分布
• 4.2.4 烧结气氛对显微组织的影响
• 4.3 烧结方法对缺碳硬质合金组织和性能的影响
• 4.3.1 实验
• 4.3.2 气压烧结和真空烧结的孔隙与断口形貌
• 4.3.3 气压烧结和真空烧结缺碳硬质合金的性能
• 4.4 碳含量和烧结温度对缺碳硬质合金组织和性能的影响
• 4.4.1 实验
• 4.4.2 碳含量和烧结温度对缺碳硬质合金密度的影响
• 4.4.3 碳含量和烧结温度对缺碳硬质合金钴磁的影响
• 4.4.4 碳含量和烧结温度对合金维氏硬度的影响
• 4.4.5 碳含量和烧结温度对合金横向断裂强度的影响
• 4.5 粘结相成分对缺碳硬质合金组织和性能的影响
• 4.5.1 实验
• 4.5.2 粘结相成分对缺碳硬质合金的组织的影响
• 4.5.3 粘结相成分对缺碳硬质合金性能的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 渗碳处理对梯度硬质合金组织和性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 渗碳处理后的组织演变
• 5.3.1 渗碳处理后试样横断面的组织特征
• 5.3.2 渗碳工艺对渗碳层组织的影响
• 5.3.3 分析与讨论
• 5.4 梯度结构形成的机理
• 5.5 梯度硬质合金的横向断裂强度
• 5.5.1 碳含量对横向断裂强度的影响
• 5.5.2 烧结温度与渗碳温度对横向断裂强度的影响
• 5.5.3 渗碳时间对横向断裂强度的影响
• 5.5.4 梯度硬质合金的残余压应力增强
• 5.6 梯度硬质合金的表面及截面的硬度
• 5.6.1 渗碳时间对表面硬度的影响
• 5.6.2 横截面沿梯度方向的硬度分布
• 5.6.3 梯度硬质合金硬度的理论分析
• 5.7 梯度硬质合金的工业应用
• 5.8 本章结论
• 第六章 梯度硬质合金裂纹扩展与断裂韧性研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验与方法
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 表面及富钴区压痕裂纹及其裂纹扩展特征
• 6.3.2 表面区与富钴区交界处压痕裂纹及其裂纹扩展特征
• 6.3.3 富钴区与芯部过渡处压痕裂纹及其裂纹扩展特征
• 6.3.4 芯部压痕裂纹及其裂纹扩展特征
• 6.3.5 梯度硬质合金的断裂韧性
• 6.4 分析与讨论
• 6.5 本章小结
• 第七章 梯度硬质合金的高温强度及失效机理研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验与方法
• 7.3 实验结果
• 7.3.1 试验温度对梯度硬质合金横向断裂强度的影响
• 7.3.2 烧结温度对梯度硬质合金高温横向断裂强度的影响
• 7.3.3 渗碳时间对梯度硬质合金高温横向断裂强度的影响
• 7.4 分析与讨论
• 7.4.1 金属钴的高温软化的影响
• 7.4.2 钴相变的影响
• 7.4.3 梯度结构的影响
• 7.4.4 残余热应力的影响
• 7.4.5 氧化的影响
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要学术成绩