SPS原位合成WC-6Co硬質(zhì)合金工藝、組織和性能的研究.pdf

1、WC-Co硬質(zhì)合金是一種性能優(yōu)良的工具材料，尤其是當(dāng)晶粒尺寸超細化后所具有的高硬度高強度的優(yōu)異性能，使得超細硬質(zhì)合金成為目前國內(nèi)外硬質(zhì)合金研究的熱點。而放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)作為一種新型的材料制備技術(shù)，其所具備的一系列優(yōu)點在硬質(zhì)合金的燒結(jié)與合成上有著突出的體現(xiàn)。本文采用SPS技術(shù)原位合成制備常規(guī)尺寸和大尺寸的WC-6Co硬質(zhì)合金塊體，并研究開發(fā)了這一低溫、快速、短流程、低成本的(WO<,2.9>+Co<,3>O><,4>+C)直接

2、碳化原位合成WC-Co硬質(zhì)合金的新工藝。 首先對(WO><,2.9>+Co<,3>O<,4>+C)混合粉末進行DSC-TG測試，結(jié)合實驗以確定反應(yīng)合成溫度。進而重點研究了配碳量、各合成工藝參數(shù)對材料物相、致密度、顯微組織與性能的影響，并分析了產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：SPS原位合成φ20mm的常規(guī)尺寸WC-6Co硬質(zhì)合金時，高能球磨(WO<,2.9>+Co<,3>O<,4>+C)混合粉的最佳配碳量為14.3％，最優(yōu)合成工藝是按約10

3、0℃/min的升溫速率升至980～990℃保溫進行還原碳化約25min；反應(yīng)后以約75℃/min的升溫速率升至1250～1270℃進行燒結(jié)并保溫3～8min，升溫同時施加60MPa軸向壓力；隨后隨爐快速冷卻得到性能優(yōu)良的φ20mm硬質(zhì)合金塊體。其物相組成為純WC-Co相，相對密度達到99％，平均晶粒尺寸為0.8 μm，洛氏硬度HRA為93.5，維氏硬度Hv超過1900kg/mm<'2>，斷裂韌性K<,IC>為11.2MN·m<'-3/2

4、>。 采用SPS原位合成氣象沉積系統(tǒng)首次制備出φ45mm大尺寸純凈物相的硬質(zhì)合金材料，并以此測定了橫向斷裂強度這一重要的性能指標。通過調(diào)整合成工藝參數(shù)，以14.5％的配碳量，還原碳化溫度升至1000℃，燒結(jié)溫度調(diào)整為1200～1230℃并保溫3min，施加60MPa軸向壓力，得到的硬質(zhì)合金材料橫向斷裂強度很難超過1000MPa。通過分析得到強度偏低的主要原因為：原位合成大尺寸塊體容易產(chǎn)生大量的殘余氣孔以及分層導(dǎo)致組織不均勻。要進

5、一步提高材料性能需要進行后續(xù)處理，采用SPS二次燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300℃，材料橫向斷裂強度達到1740MPa；采用二次燒結(jié)與1300℃真空退火6h處理后，得到φ45mm塊體性能為：相對密度達到98.4％，平均晶粒尺寸為1.0μm，洛氏硬度HRA為91，維氏硬度Hv為1850kg/mm<'2>，橫向斷裂強度達2036Mpa。研究分析了后續(xù)處理工藝提高φ45mm硬質(zhì)合金塊體性能的原因。 首次對SPS原位合成制備WC-Co硬質(zhì)合金的

6、合成機理進行了分析。研究表明，合成過程可分為還原碳化反應(yīng)和燒結(jié)致密化兩個階段。在還原碳化反應(yīng)階段，采用SPS技術(shù)能將(WO<,2.9>+Co<,3>O<,4>+C)混合粉非常迅速的還原碳化得到純凈的WC-Co復(fù)合粉，但其過程并非一步完成，而存在多種中間產(chǎn)物，經(jīng)過多個步驟而最終得到純凈物相。在燒結(jié)致密化階段，分析了燒結(jié)溫度在WC、Co共晶溫度1340℃以下由于SPS特殊機制發(fā)生瞬時液相燒結(jié)的機制，并提出了φ20mm常規(guī)尺寸塊體致密度高，而