硬质合金及金属陶瓷工具材料的强韧化研究

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本文系统研究硬质合金及金属陶瓷烧结致密化过程,分析合金制备过程中的WC粒度控制、碳含量控制和烧结温度控制对合金性能的影响,探索合金的硬质相和粘结相强化对合金强韧化和服役性能的影响。研究结果表明:WC-Co硬质合金材料制备过程中,WC粒度、Co含量和合金配碳对WC-Co硬质合金材料的烧结致密化过程影响显著。细化WC粒度、增加Co含量和提高合金配碳可以有效促进烧结致密化过程。超细晶WC-Co硬质合金的快冷处理可以提高W在Co相中的固溶度,增加Co相中塑性fcc-Co相的比例;在对硬质相WC的影响方面,快冷处理抑制了Co相中W和C原子在WC颗粒表面的析出,合金中WC晶粒棱角变得圆整,晶粒得到细化;快冷结合合适的回火工艺,所得到的超细晶WC-Co硬质合金Co相中存在弥散分布的纳米级颗粒相,对Co相起到了弥散强化作用,克服材料硬度和韧性不可兼具的矛盾,获得同时具有较好硬度、耐磨性和韧性的超细晶WC-Co硬质合金材料,进而提升超细晶WC-Co硬质合金材料在切削应用工况条件下的使用寿命。通过X射线衍射、扫描电镜和激光粒度仪等检测分析手段,可以表征WC粉末的结晶度;结晶度高的WC粉末制备合金的硬质相WC平均晶粒更粗,粒度分布更均匀,断裂韧性、抗弯强度、压溃强度和冲击韧性显著提高,最终表现为实际应用工况下使用寿命的提升。WC-Co硬质合金组织中存在晶粒的夹粗,是导致合金在具体工况下失效的原因之一。通过WC原料的分级,去除原料WC中小于0.5μm的WC细颗粒粉末,可以得到WC晶粒分布更加均匀的亚微细晶和中粗晶粒WC-Co硬质合金;通过提升WC-Co硬质合金中WC晶粒粒度分布均匀性,可以带来WC-Co硬质合金断裂韧性(KIC)的提升,而中粗晶粒WC-Co硬质合金断裂韧性(KIC)的提升幅度较亚微细晶WC-Co硬质合金更为显著。(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷致密化过程中,合金因烧结而引起的质量损失在液相出现前的固相烧结阶段基本结束;而1340℃以后,由于液相的出现,合金的体积收缩和密度急剧上升。烧结过程中氮含量的变化趋势与合金磁性能的变化趋势一致,金属陶瓷合金成分中氮含量的变化对合金固溶体的形成有显著的影响。在1490℃烧结温度下,(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)金属陶瓷的综合力学性能最佳,而通过合适的N2分压烧结工艺,可以实现对(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷强韧性的进一步提升。碳含量对(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)金属陶瓷的组织结构特征有明显的影响,随着成分配方中配碳含量的增加,金属陶瓷显微组织中的黑色芯相所占的比例减少,黑色芯相的粒子细化,同时伴随着组织形貌中灰色固溶体相的增加。(Ti,W,Mo,Ta,Nb,Zr)(C,N)-(Co,Ni)金属陶瓷刀片在实际切削应用工况下的切削性能与材料本身的HV30、KIC和TRS直接相关。烧结温度是(Ti,W,Mo,Nb)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷组织结构的一个非常重要的影响因素。合金的总碳(Ct%)随着烧结温度的提高而降低,当烧结温度达到1490℃时,合金总碳的急剧降低,导致合金组织中出现脱碳相(η相),从而使得合金的硬度(HV30)、断裂韧性(KIC)和抗弯强度(TRS)降低。1470℃烧结温度下,(Ti,W,Mo,Nb)(C,N)-(Co,Ni)基金属陶瓷合金的硬度(HV30)、断裂韧性(KIC)和抗弯强度(TRS)的匹配最佳。
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