超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金的制備、組織表征和性能的研究.pdf

1、超細(xì)及納米晶WC-Co硬質(zhì)合金因具有高的硬度、耐磨性、斷裂韌性和橫向斷裂強(qiáng)度等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，已成為現(xiàn)代硬質(zhì)合金領(lǐng)域發(fā)展的熱點方向。放電等離子燒結(jié)(SPS)作為一種極具應(yīng)用潛力的超細(xì)及納米硬質(zhì)合金的制備技術(shù)，其燒結(jié)工藝的優(yōu)化和燒結(jié)機(jī)理的深入分析具有重要的科學(xué)意義。本文采用不同粒徑匹配的WC/Co混合粉末利用SPS技術(shù)制備系列超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金塊體材料，研究混合粉末粒徑匹配和結(jié)合狀態(tài)對SPS制備硬質(zhì)合金的影響機(jī)制?；趦?yōu)化的工藝

2、參數(shù)和粒徑匹配，通過混合粉術(shù)真空預(yù)處理再進(jìn)行SPS致密化的創(chuàng)新工藝制備具有優(yōu)良綜合性能的超細(xì)晶硬質(zhì)合金，深入研究真空預(yù)處理工藝對SPS制備硬質(zhì)合金的影響。此外，對硬質(zhì)合金的顯微組織參數(shù)與其力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。
　　 首先采用超細(xì)WC/納米Co和超細(xì)WC/微米Co兩種混合粉末進(jìn)行SPS致密化，制備出了平均晶粒尺寸達(dá)到150nm的準(zhǔn)納米晶硬質(zhì)合金，研究SPS燒結(jié)工藝對制備準(zhǔn)納米晶硬質(zhì)合金組織和性能的影響。以超細(xì)WC和微米

3、Co作為原料，在優(yōu)化的燒結(jié)條件下制備出超細(xì)晶硬質(zhì)合會的硬度達(dá)到94.5HRA，斷裂韌性達(dá)到13.50MPa.m1/2，具有高硬度和高韌性的性能組合。對不同粒徑匹配和結(jié)合狀態(tài)的原料粉末SPS特殊機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)分析，由于混合粉末的不同結(jié)合狀態(tài)，導(dǎo)致在SPS燒結(jié)過程中具有不同的電流分配，從而產(chǎn)生不同的燒結(jié)致密化進(jìn)程。采用超細(xì)WC和納米Co作為原料粉末，制備的塊體試樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象，降低了材料的力學(xué)性能。而采用超細(xì)WC和微米Co進(jìn)行SPS致密化時，

4、由于形成了Co包覆WC顆粒的有利結(jié)合狀態(tài)，使燒結(jié)電流大部分通過試樣，利用自身發(fā)熱效應(yīng)在試樣內(nèi)部形成較均勻的溫度分布，從而獲得了高性能的硬質(zhì)合金塊體材料。
　　 采用超細(xì)WC、亞微米WC和微米WC分別和亞微米Co球磨得到的三種混合粉末進(jìn)行SPS致密化，研究不同WC粒徑混合粉末的致密化過程，結(jié)果表明，燒結(jié)體開始收縮溫度、收縮速率達(dá)到峰值溫度和致密化基本完成溫度均與WC粒徑大小無關(guān)。SPS特殊的燒結(jié)機(jī)制使得在燒結(jié)不同WC粒徑混合粉末過

5、程中電流分布具有相似的規(guī)律。采用粒徑相當(dāng)?shù)膩單⒚譝C和亞微米Co混合粉木燒結(jié)得到的組織中Co相均勻分布在WC晶粒周圍，合金具有最佳的綜合力學(xué)性能。
　　 以優(yōu)化的WC/Co粒徑匹配、球磨工藝和燒結(jié)工藝為基礎(chǔ)，采用混合粉末真空預(yù)處理再進(jìn)行SPS致密化的創(chuàng)新工藝制備出了高性能的超細(xì)晶硬質(zhì)合金。研究了粉術(shù)真空預(yù)處理溫度對合金組織和性能的影響，當(dāng)預(yù)處理溫度高于1300℃時，試樣中WC晶粒突發(fā)長大，難以獲得超細(xì)品組織；而1250℃或更低溫

6、度預(yù)處理的試樣，Co相難于充分?jǐn)U散，制備的試樣中存在一定程度的Co偏聚，從而降低了合金的力學(xué)性能。采用1300℃真空預(yù)處理后SPS燒結(jié)的試樣具有最高的綜合力學(xué)性能，其橫向斷裂強(qiáng)度達(dá)到3200MPa，是目前國際上報道的SPS制備硬質(zhì)合金中橫向斷裂強(qiáng)度的先進(jìn)水平。系統(tǒng)分析了真空預(yù)處理工藝在SPS制備超細(xì)晶硬質(zhì)合金中的作用，混合粉術(shù)的真空預(yù)處理能夠去除粉末吸附的氣體，在一定程度上消除“Co池”缺陷，同時能夠保證WC晶粒不發(fā)生明顯長大。

7、　　 應(yīng)用體視學(xué)相關(guān)原理和方法，并結(jié)合現(xiàn)有模型及實驗試樣的顯微組織和性能數(shù)據(jù)，對硬質(zhì)合金顯微組織參數(shù)與其力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了深入分析，得到了硬質(zhì)合金硬度、斷裂韌性與顯微組織參數(shù)平均晶粒尺寸、粘接相平均自由程和WC晶粒鄰接度之間的定量關(guān)系。對具有不同顯微組織結(jié)構(gòu)的合金的仿真組織進(jìn)行了有限元模擬，得到了橫向斷裂強(qiáng)度與顯微組織參數(shù)之間的半定量關(guān)系，模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合很好。研究獲得的硬質(zhì)合金力學(xué)性能與顯微組織參數(shù)之間的定量、半定量