【摘 要】
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传统硬质合金由硬质相与粘结剂组成。硬质相给予材料优异的硬度与耐磨性,而粘结剂相负责粘结硬质颗粒并提高材料的韧性和强度,降低烧结温度。在WC基硬质合金中Co为最常用的粘结剂,但加入后会降低硬质合金的硬度、耐腐蚀性、抗氧化性以及热稳定性,限制硬质合金在极端条件下的应用,因此无粘结剂WC是一种理想材料。然而无粘结剂WC却面临着两个问题:其一、纯碳化钨具有较高的熔点和较低的自熔合系数,烧结温度高,传统工艺
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传统硬质合金由硬质相与粘结剂组成。硬质相给予材料优异的硬度与耐磨性,而粘结剂相负责粘结硬质颗粒并提高材料的韧性和强度,降低烧结温度。在WC基硬质合金中Co为最常用的粘结剂,但加入后会降低硬质合金的硬度、耐腐蚀性、抗氧化性以及热稳定性,限制硬质合金在极端条件下的应用,因此无粘结剂WC是一种理想材料。然而无粘结剂WC却面临着两个问题:其一、纯碳化钨具有较高的熔点和较低的自熔合系数,烧结温度高,传统工艺无法使其完全致密化;其二、纯碳化钨断裂韧性较差,且在烧结后会在平衡条件生成W2C。因此本文通过机械合金化制备WC1-X解决纯碳化钨难烧结的问题,并加入金刚石作为碳源解决由于缺碳而易形成W2C问题,通过超高压烧结提高烧结体的致密度。研究过程中,首先以WC和W为原料通过机械合金化（Mechanical Alloying）制备了不同C空位浓度的WC1-X,并在高压下通过不同温度进行烧结,确定了WC1-X最佳烧结温度范围;并考察了不同的金刚石添加量、粒度尺寸对其组织与性能的影响。研究结果证明:以WC和W为原料通过机械合金化制备的WC1-X,通过高温高压烧结,C空位的存在大幅度降低烧结温度,在较低的温度得到的致密的、纳米级晶粒的WC1-X烧结体由三相组成,主相为六方相WC1-X,含有少量W与W2C,温度升高会使W与W2C总含量升高,C空位浓度的提高也会使二者含量升高。性能测试表明,WC1-X在5.5 GPa、1200℃下具有最佳综合性能:WC0.6的硬度与断裂韧性分别为27.9 GPa和5.43 MPa·m1/2;WC0.8的硬度、韧性分别为30.5 GPa和5.68 MPa·m1/2。在WC1-X与金刚石在高温高压条件下进行复合烧结的过程中,通过对不同C空位浓度WC1-X与不同粒径、不同质量比金刚石在不同温度的烧结情况进行探究,试图得到机械性能优异的WC1-X/金刚石复合烧结体。将金刚石与WC1-X进行复合烧结的结果表明,WC1-X中的C空位浓度提高,与金刚石之间的结合增强,韧性提高;采用纳米金刚石为碳源时,有效抑制了W与W2C的产生,但其石墨化较为严重,降低了烧结体硬度。12.2 wt.%纳米金刚石与WC0.6在5.5 GPa、1200℃下烧结得到的硬度和韧性分别为24.9 GPa和7.03 MPa·m1/2;采用6.5μm和22μm金刚石为碳源时,在低温或低质量比时C扩散不足,有W析出,在1400℃时6.5μm金刚石存在石墨化,6.5μm金刚石与WC1-X之间的结合优于22μm金刚石。当采用12.2 wt.%6.5μm金刚石与WC0.6在5.5 GPa、1200℃下烧结后得到最佳硬度和韧性,分别为33.9 GPa和11.02 MPa·m1/2。将VC与WC1-X复合烧结,由于高压和低烧结温度,原子扩散较弱,导致VC与WC1-X之间结合差,没能抑制W与W2C产生,在1200℃时制备出具有最佳力学性能的烧结体WC0.6-5 wt.%VC,其硬度韧性分别为26.9 GPa和5.48 MPa·m1/2。
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