一步法制备超细WC-Co基硬质合金的组织控制及性能

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WC-Co基硬质合金是一种广泛使用的刀具材料,而如何同时提高其强度和硬度一直是研究者们关注的焦点。而随着纳米科技的兴起,这一问题能够得到较好的解决。目前,在合金中添加晶粒长大抑制剂已经被证明是一种制备超细甚至纳米硬质合金的简单而有效的方法。因此,本文在调研硬质合金的发展历程和研究现状后,综述了纳米硬质合金粉体制备、成型和烧结的各种方法及其优缺点,并对晶粒长大抑制剂进行了探讨。随后,采用DBDP辅助高能球磨以及碳化烧结一步法制备了WC-10Co基超细硬质合金。对球磨工艺和烧结工艺进行了探索,同时通过加入不同的添加剂,对WC-10Co硬质合金进行成分上的调整,详细地分析了添加剂对合金组织结构和力学性能的影响。此外,本文通过对自制的硬质合金和商用硬质合金刀具的切削对比试验,研究了其切削耐磨性,并对切削时的磨损机理进行了深入探讨。研究表明,对于DBDP辅助高能球磨,采用短时、高球粉比的球磨工艺对添加VC晶粒长大抑制剂的复合粉体的细化、活化作用更好,碳化烧结时反应的温度更低。而以此球磨工艺获得的纳米复合粉体为原料,采用不同时间在1MPa低压下进行一步碳化烧结可以发现,烧结60min获得的WC-10Co0.9VC合金既无缺碳相,孔隙率也较低,其综合力学性能较好。在1390℃真空条件下,采用碳化烧结一步法制备出添加不同晶粒长大抑制剂VC、Cr3C2的硬质合金,研究表明,添加的VC会在硬质合金WC/Co界面偏聚,而Cr3C2则大量固溶于Co粘结相中,它们都会阻碍液相烧结时WC在液相Co中的溶解和在WC晶粒表面的析出过程,进而抑制晶粒的长大行为,但VC的抑制效果更加明显。当在WC-10Co硬质合金中同时添加0.9wt.%VC和0.3wt.%Cr3C2时能够制备出平均晶粒尺寸为200nm,致密度达98.8%的纳米硬质合金,其硬度和抗弯强度分别达到92.0HRA和2240MPa。此外,在粘结相Co中添加7wt.%Si制备WC-10Co-0.7Si硬质合金时,合金中形成了硬而脆的W5Si3,导致合金的硬度升高,强度和致密度降低。以真空碳化烧结一步法+热等静压法制备的WC-10Co-0.9VC硬质合金,其硬度和致密度较高,但由于合金内部出现了石墨相,导致其强度降低。在切削灰铸铁对比试验中发现,不管是何种硬质合金刀具,都会先后经历初期磨损、正常磨损和剧烈磨损三个阶段。在磨损初期,WC-10Co-0.9VC硬质合金表层没有石墨相,其磨损量较低。随着磨损的增加,在合金磨损区域中出现了石墨相,而石墨相的出现,不仅会降低合金的强度,使粘着磨损加快;同时,位于石墨相之间的WC颗粒容易剥落,成为磨损时的硬质点,导致磨粒磨损的发生。在两种磨损的同时作用下,其磨损量迅速增加,且会产生大量的切削热,导致刀具后刀面上形成了一层Fe的粘附层。而YG8硬质合金刀具虽然具有较大的磨损量,但磨损过程持续时间更长,刀具耐用度较高。
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