超細晶WC-Co硬質合金的制備、組織表征和性能的研究.pdf

1、超細及納米晶WC-Co硬質合金因具有高的硬度、耐磨性、斷裂韌性和橫向斷裂強度等優(yōu)良的綜合力學性能，已成為現代硬質合金領域發(fā)展的熱點方向。放電等離子燒結(SPS)作為一種極具應用潛力的超細及納米硬質合金的制備技術，其燒結工藝的優(yōu)化和燒結機理的深入分析具有重要的科學意義。本文采用不同粒徑匹配的WC/Co混合粉末利用SPS技術制備系列超細晶WC-Co硬質合金塊體材料，研究混合粉末粒徑匹配和結合狀態(tài)對SPS制備硬質合金的影響機制。基于優(yōu)化的工藝

2、參數和粒徑匹配，通過混合粉術真空預處理再進行SPS致密化的創(chuàng)新工藝制備具有優(yōu)良綜合性能的超細晶硬質合金，深入研究真空預處理工藝對SPS制備硬質合金的影響。此外，對硬質合金的顯微組織參數與其力學性能之間的關系進行系統(tǒng)研究。
　　 首先采用超細WC/納米Co和超細WC/微米Co兩種混合粉末進行SPS致密化，制備出了平均晶粒尺寸達到150nm的準納米晶硬質合金，研究SPS燒結工藝對制備準納米晶硬質合金組織和性能的影響。以超細WC和微米

3、Co作為原料，在優(yōu)化的燒結條件下制備出超細晶硬質合會的硬度達到94.5HRA，斷裂韌性達到13.50MPa.m1/2，具有高硬度和高韌性的性能組合。對不同粒徑匹配和結合狀態(tài)的原料粉末SPS特殊機制進行系統(tǒng)分析，由于混合粉末的不同結合狀態(tài)，導致在SPS燒結過程中具有不同的電流分配，從而產生不同的燒結致密化進程。采用超細WC和納米Co作為原料粉末，制備的塊體試樣出現分層現象，降低了材料的力學性能。而采用超細WC和微米Co進行SPS致密化時，

4、由于形成了Co包覆WC顆粒的有利結合狀態(tài)，使燒結電流大部分通過試樣，利用自身發(fā)熱效應在試樣內部形成較均勻的溫度分布，從而獲得了高性能的硬質合金塊體材料。
　　 采用超細WC、亞微米WC和微米WC分別和亞微米Co球磨得到的三種混合粉末進行SPS致密化，研究不同WC粒徑混合粉末的致密化過程，結果表明，燒結體開始收縮溫度、收縮速率達到峰值溫度和致密化基本完成溫度均與WC粒徑大小無關。SPS特殊的燒結機制使得在燒結不同WC粒徑混合粉末過

5、程中電流分布具有相似的規(guī)律。采用粒徑相當的亞微米WC和亞微米Co混合粉木燒結得到的組織中Co相均勻分布在WC晶粒周圍，合金具有最佳的綜合力學性能。
　　 以優(yōu)化的WC/Co粒徑匹配、球磨工藝和燒結工藝為基礎，采用混合粉末真空預處理再進行SPS致密化的創(chuàng)新工藝制備出了高性能的超細晶硬質合金。研究了粉術真空預處理溫度對合金組織和性能的影響，當預處理溫度高于1300℃時，試樣中WC晶粒突發(fā)長大，難以獲得超細品組織；而1250℃或更低溫

6、度預處理的試樣，Co相難于充分擴散，制備的試樣中存在一定程度的Co偏聚，從而降低了合金的力學性能。采用1300℃真空預處理后SPS燒結的試樣具有最高的綜合力學性能，其橫向斷裂強度達到3200MPa，是目前國際上報道的SPS制備硬質合金中橫向斷裂強度的先進水平。系統(tǒng)分析了真空預處理工藝在SPS制備超細晶硬質合金中的作用，混合粉術的真空預處理能夠去除粉末吸附的氣體，在一定程度上消除“Co池”缺陷，同時能夠保證WC晶粒不發(fā)生明顯長大。

7、　　 應用體視學相關原理和方法，并結合現有模型及實驗試樣的顯微組織和性能數據，對硬質合金顯微組織參數與其力學性能之間的關系進行了深入分析，得到了硬質合金硬度、斷裂韌性與顯微組織參數平均晶粒尺寸、粘接相平均自由程和WC晶粒鄰接度之間的定量關系。對具有不同顯微組織結構的合金的仿真組織進行了有限元模擬，得到了橫向斷裂強度與顯微組織參數之間的半定量關系，模型計算結果與實驗結果吻合很好。研究獲得的硬質合金力學性能與顯微組織參數之間的定量、半定量