热机械合金化制备碳化钨硬质合金研究

论文摘要

机械合金化方法可以制备出反应活性较高的超细W-C粉末,在随后的加热反应过程中容易得到细晶的WC硬质合金,从而大大提高其力学性能。本文采用差热分析（DTA）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜观察（SEM）和力学性能测试方法探索了W-C高能球磨过程及其对随后热过程中W-C热反应温度和反应激活能的影响规律,同时对WC-Co硬质合金的热机械合金化工艺、组织、性能及失效机制进行了研究。研究表明:在高能球磨磨球的作用下,W、C不断撞击、碎化,强制形成具有较高晶格畸变能的W（C）固溶体,在合适的条件下WC形核,并团聚长大。W-C粉末体系经过10h的球磨过程后,W与C的热反应温度从1400℃左右降低至1020℃,反应激活能降低了22.7%左右。W-C-M体系在气体保护烧结（GPS）和放电等离子烧结（SPS）两种反应条件下的合成机理均为扩散机制,采用GPS工艺很难得到完全合成的WC合金,而采用SPS工艺可得到完全合成的WC合金。SPS热反应合成的WC-Co硬质合金组织呈长径比约为5:1的短棒状,晶粒长度为2～3μm。延长球磨时间或升高SPS热反应温度均能提高反应物的反应活性,从而促进中间产物向WC转变,并使组织均匀、致密。随着球磨时间的延长或热反应温度的升高,WC-Co合金的密度、硬度、抗弯强度、耐磨性能均逐渐提高。热机械合金化合成的WC-Co硬质合金比传统方法制备的同类WC合金具有更高的强度,其机理是:热机械合金化合成的WC合金具有交替排列的短棒状组织,在三点弯曲试验中,微裂纹萌生于WC/WC晶界位置,受到交错排列的短棒状晶粒的阻碍,裂纹扩展以短棒状晶粒的拔出方式进行,极大地消耗了裂纹扩展的能量,从而提高了弯曲强度;合成试样的摩擦磨损过程以犁沟磨损和WC颗粒的剥落为主要特征。热机械合金化制备的WC-Co硬质合金在钻井钻头、刀具领域具有广阔的应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第1章 前言
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 反应合成WC 硬质合金的成分设计
• 1.3 反应合成WC 硬质合金的工艺方法
• 1.3.1 自蔓延高温合成
• 1.3.2 放电等离子烧结合成
• 1.3.3 场激活燃烧合成
• 1.3.4 反应热压合成
• 1.3.5 反应熔炼合成
• 1.4 热机械合金化反应合成技术
• 1.4.1 高能球磨的机械活化作用
• 1.4.2 热过程的反应合成
• 1.5 课题的研究目的、意义和内容
• 第2章 实验内容及方法
• 2.1 实验技术路线
• 2.2 实验原料
• 2.3 样品制备
• 2.3.1 粉末配比
• 2.3.2 高能球磨
• 2.3.3 热过程的反应
• 2.4 组织结构分析
• 2.4.1 热分析
• 2.4.2 物相分析
• 2.4.3 组织、成分分析
• 2.5 性能测试
• 2.5.1 相对密度测试
• 2.5.2 硬度测试
• 2.5.3 三点弯曲试验
• 2.5.4 摩擦磨损试验
• 第3章 超细WC 粉末的高能球磨制备
• 3.1 高能球磨过程中元素的扩散
• 3.1.1 晶体缺陷
• 3.1.2 晶粒细化
• 3.1.3 反应球磨机理
• 3.1.4 纳米晶的形成
• 3.2 高能球磨制备WC 的合成机理研究
• 3.2.1 物相分析
• 3.2.2 晶粒尺寸估算
• 3.2.3 W-C 体系球磨的合成机理
• 3.3 球磨过程对W-C 热反应的活化作用
• 3.4 本章小结
• 第4章 WC 合金的热机械合金化反应机理
• 4.1 WC 合金的热机械合金化制备——GPS 热反应合成
• 4.1.1 GPS 热反应产物物相研究
• 4.1.2 W-C-M 体系球磨后的GPS 热反应机理研究
• 4.2 WC 合金的热机械合金化制备——SPS 热反应合成
• 4.2.1 SPS 热反应产物物相研究
• 4.2.2 物相分析与讨论
• 4.2.3 SPS 热反应机理研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 热机械合金化制备WC 合金的组织与性能
• 5.1 热机械合金化制备的WC 硬质合金的显微组织
• 5.1.1 高能球磨对显微组织的影响
• 5.1.2 热反应温度对显微组织的影响
• 5.2 热机械合金化制备的WC 硬质合金的性能
• 5.2.1 致密性
• 5.2.2 硬度
• 5.2.3 抗弯强度
• 5.2.4 耐磨性能
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果