WC-Co梯度硬質合金的設計、制備及其性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)均勻硬質合金材料由于其各部分的成分和組織均勻，其硬度和韌性之間存在著尖銳的矛盾，制約了其應用領域的進一步擴大，難以滿足現(xiàn)代社會發(fā)展對硬質合金提出的“雙高”(高硬度，高韌性)要求，所以，研發(fā)新型功能梯度硬質合金材料以滿足工具不同的部位具有不同的使用功能要求顯得尤為重要。為此，本文在國家自然科學基金的資助下，與國有大型硬質合金公司合作，利用有限元分析軟件(Marc)、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)、電子探針

2、(EPMA)和圖像分析軟件cosso)等現(xiàn)代材料分析與測試手段，以殘余熱應力為對象進行梯度結構設計，滲碳處理制備梯度硬質合金，對缺碳硬質合金的組織和性能、滲碳處理過程中的組織轉變、梯度形成機理、工藝參數(shù)對梯度硬質合金組織和性能的影響、以及梯度硬質合金的裂紋擴展、斷裂韌性和高溫強度進行了系統(tǒng)研究，得到以下主要結論： 1)提出以質量百分含量作為模型的基本參數(shù)，建立了適合梯度硬質合金成分分布函數(shù)、彈性系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和熱導率模型，預測

3、值與試驗結果吻合很好；用MARC有限元軟件對YG6梯度硬質合金的殘余應力進行數(shù)值模擬計算，計算結果與XRD實測值基本一致；YG6梯度硬質合金的梯度結構最優(yōu)化設計的微觀結構為：梯度層厚度為半徑的20％～30％，梯度分布指數(shù)p的取值在1.5～2.5之間，鈷含量峰值在12％～16％之間。 2)碳含量影響缺碳合金中η相的類型、含量、分布和WC的形狀。C03W3C相出現(xiàn)在缺碳程度相對較小的合金中，其含量隨碳含量的增大而增大；與之相反，Co

4、6W6C相出現(xiàn)在缺碳程度相對嚴重的合金中，其含量隨碳含量增大而減少；合金中η相總量隨碳含量增大而線性減少；隨著缺碳程度的增加，合金中η相的分散均勻性變差，并且η相趨于形成大塊狀；Wc大多呈現(xiàn)多角特征。 3)氣壓燒結缺碳硬質合金的組織和性能優(yōu)于真空燒結缺碳硬質合金的組織和性能；氣壓燒結后期有效地控制滲碳氣氛能夠直接燒結滲碳制備梯度硬質合金；部分Ni替代Co作為粘結相的WC-6(xNiyCo)缺碳硬質合金的組織和性能接近于相同缺碳量

5、的WC-6Co缺碳合金的組織和性能，以此作為滲碳前驅體可制備模具或軸承用無磁或低磁梯度硬質合金。 4)采用缺碳硬質合金，成功地研究出一種制備高性能梯度硬質合金的簡單滲碳方法。梯度組織的特征是合金表層和次表層的η相已經(jīng)完全消失，為正常的WC+y兩相組織，并在合金的表層形成了一個貧鈷區(qū)，次表層形成了一個富鈷區(qū)；合金的芯部依然是沒有多大變化的含η相組織。梯度組織的形成主要受碳擴散、碳和η相反應、W原子向合金表面遷移、液相壓力差和WC晶

6、粒長大導致的毛細管力等影響。 5)梯度結構的形成導致合金的硬度和斷裂韌性在截面上自外至內呈連續(xù)梯度變化；梯度結構的形成有利于提高合金的強度和斷裂韌性。梯度硬質合金通過鈷含量的梯度分布、引入表面壓應力、促使裂紋偏轉和橋接等方式增韌，獲得了較好的綜合性能。 6)梯度硬質合金的高溫強度較傳統(tǒng)均勻硬質合金和缺碳硬質合金要顯著提高。隨溫度升高，宏觀斷口表面趨于平整，穿晶斷裂比例下降，沿晶斷裂的比例增加。梯度硬質合金的高溫強度緩慢下