WC-Co硬质合金的制备及其性能的影响因素研究

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WC-Co硬质合金由于其具有高的硬度、优良的耐磨性、较好的韧性而广泛应用于切削工具、矿用和钻探工具、机械制造加工、材料成形模具等方面。本文采用原位还原碳化法,制备得到超细WC-10wt.%Co复合粉,利用低压烧结技术对复合粉进行烧结致密化制备硬质合金块体材料。通过对WC-10wt.%Co复合粉制备、烧结工艺、合金块体组织等研究,确定硬质合金性能的影响因素。  通过前期的理论计算确定原位反应制备WC-10wt.%Co复合粉的原料配比及最佳的原位反应温度,分析了原位反应过程,最终获得了物相正确,平均粒径约为310nm的超细WC-10wt.%Co复合粉,并对复合粉的形貌和成分进行了分析和表征。根据原位反应制备得到的WC-10wt.%Co复合粉的特性制定了低压烧结致密化工艺。  为了获得晶粒细小均匀、性能优良的WC-Co硬质合金块体,对晶粒长大抑制剂VC和Cr3C2在复合粉内的添加方式和添加量进行了系统的研究。结果表明:随着晶粒长大抑制剂添加量的增加,合金的组织变得均匀细小,硬度值逐渐上升,而VC的晶粒细化效果要明显强于Cr3C2;与此同时,VC对硬度的提升效果也强于Cr3Cr2,但是适当的Cr3C2添加量可以有效提升硬质合金的横向断裂强度。对比两种晶粒长大抑制剂的添加阶段,当添加0.2wt.%VC和0.4wt.%Cr3C2晶粒长大抑制剂时均获得了最高的横向断裂强度。但是,在原位反应后复合添加晶粒长大抑制剂效果更加明显,获得了硬度值最高为1777.4kg/mm2,合金的横向断裂值最高为3490MPa的硬质合金块体。  对原位反应制备的WC-10wt.%Co复合粉进行了氢气热处理,不同温度处理后的复合粉分别进行低压烧结致密化。分析表明,复合粉进行热处理后可以有效控制合金中元素含量,复合粉中总碳、游离碳及氧含量均下降。合金组织中WC平均晶粒尺寸随着复合粉热处理温度的升高而略有增加。通过对低压烧结致密化得到的硬质合金块体的性能进行分析,较未热处理的复合粉,经氢气热处理的复合粉烧结后性能均有不同程度的提高,在950℃获得了最优的性能组合,其中硬度值为1545.7kg/mm2,断裂韧性为20.34MPa·m1/2,最高横向断裂值为4050MPa。  为了克服WC-10wt.%Co复合粉易团聚、流动性差而影响压坯质量的问题,对复合粉进行了造粒处理。经过团聚造粒后,复合粉流动性及松装密度大幅增加。对烧结制备的硬质合金的性能进行对比分析表明,团聚造粒工艺对烧结合金的硬度和断裂韧性基本无影响,但是横向断裂强度趋于稳定。由于团聚造粒引起合金中碳含量变化,使得横向断裂强度未能达到最佳水平。  为了控制合金中晶粒异常长大现象,对WC-10wt.%Co复合粉进行了不同温度真空预烧结处理的研究。复合粉经真空预烧结后,再经过低压二次烧结,通过分离固相和液相烧结过程,抑制硬质合金中晶粒异常长大现象。对组织和性能分析表明,WC-10wt.%Co复合粉在1350℃预烧结后经低压二次烧结获得了优化的显微组织和性能,此时合金中无晶粒异常长大现象,平均横向断裂强度为3260MPa,断裂韧性为18.89 MPa·m1/2。  对硬质合金块体进行了热处理,研究了组织性能的变化规律。对硬质合金进行1350℃的淬火处理,α-Co相明显增多,Co相平均自由程增加,WC晶粒尺寸增大。对比硬质合金热处理前后的性能可以看出,经过淬火处理后,断裂韧性大幅提升,而硬度值未发生明显变化,横向断裂强度提高40%左右。  本文系统研究了影响WC-Co硬质合金性能的各种因素及其作用机理,研究结果为提高硬质合金的各种性能、设计研制高性能的新型硬质合金材料提供了指导和依据。
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