无粘结相(W,Mo)C/Al2O3/La2O3材料的制备及其微织构摩擦磨损性能研究

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为了改善传统硬质合金粘结相易氧化、磨损和提高刀具的切削性能,本文采用低温燃烧法制备前驱体粉末,经过碳还原获得(W,Mo)C/Al2O3/La2O3复合粉末,利用等离子烧结制备无粘结相(W,Mo)C/Al2O3/La2O3硬质合金材料。研究了烧结温度对材料微观组织和力学性能的影响,分析了微织构参数、载荷和速率对材料摩擦磨损性能的影响,分析了其磨损机理。主要研究内容与结论如下:(1)以钨酸铵、钼酸铵、硝酸铝和硝酸镧为原材料,采用低温燃烧法制备氧化物前驱体粉末,通过碳还原获得超细(W,Mo)C/Al2O3/La2O3复合粉末,在1500-1800℃等离子烧结制备(W,Mo)C/Al2O3/La2O3刀具材料。研究了硝酸盐、尿素和葡萄糖的含量对粉末形貌和性能的影响,优化其配比,考察了烧结工艺对材料微观组织和力学性能的影响,分析其强韧化机制。结果表明,硝酸盐和尿素的最佳摩尔配比为1∶2,硝酸盐和葡萄糖的最佳摩尔配比为1∶0.5,加入葡萄糖后颗粒尺寸减小了0.28μm,比表面积提高了75.64%。材料的致密度、硬度和抗弯强度在1600℃时达到最佳,分别为98.45%,2202HV和1203MPa,断裂韧性在1500℃时为7.52MPa·m1/2,强韧化机制主要为第二相强化。微观组织细小分布均匀,晶粒尺寸约为1-2μm。(2)以Si3N4陶瓷球为对磨件,研究了常温下微织构参数、载荷和速率对(W,Mo)C/Al2O3/La2O3材料摩擦系数和磨损率的影响,探究其磨损机理。结果表明,最佳微织构参数为间距110μm和宽20μm,材料摩擦系数和磨损率较低,主要是微织构储存磨屑,延缓了基体表面的磨损。材料的磨损机理主要以磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损为主。(3)研究了不同温度下圆形微织构(W,Mo)C/Al2O3/La2O3刀具材料的摩擦磨损性能,考察了其高温摩擦磨损机理。结果表明,(W,Mo)C/Al2O3/La2O3刀具材料的高温摩擦系数随着摩擦速率的增大而减小,磨损率则先上升后下降。与无微织构(W,Mo)C/Al2O3/La2O3刀具材料相比较,无微织构刀具材料的摩擦系数、磨损率明显高于微织构刀具材料,主要是刀具材料表面微织构能降低高温摩擦带来的剪切应力和储存摩擦产生的部分磨屑,从而减小材料的高温摩擦系数和磨损率,磨损形式主要为磨粒磨损、疲劳磨损、粘结磨损、氧化磨损,而无微织构刀具材料磨损形式主要是磨粒磨损、氧化磨损和塑性变形。比较了圆形微织构(W,Mo)C/Al2O3/La2O3材料和WC-10Co材料在200℃-600℃下的高温摩擦磨损性能,发现(W,Mo)C/Al2O3/La2O3材料的摩擦系数与磨损率均低于WC-10Co,主要是(W,Mo)C/Al2O3/La2O3基刀具材料的硬度较高和无粘结相,而WC-10Co材料表面存在明显氧化,Co相的析出和软化降低了材料的耐磨性能。
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