准纳米WC-TiC-Co硬质合金制备工艺及显微组织

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传统WC-Co硬质合金因其特殊的性能,如高耐磨性、高硬度等特性使它们在切削刀具、模具、矿山开采等领域得到了较好的应用。WC-TiC-Co硬质合金与WC-Co硬质合金相比,具有更高的硬度和强度,主要原因是碳化钛的硬度高于碳化钨的硬度。由于WC-TiC-Co合金中含有(TiW)C固溶体,使合金强化,在高温下软化较慢。本研究课题企图研究制备准纳米硬质合金以提高强韧性,克服传统WC-Co硬质合金存在着较大的脆性、加工软化、韧性差和崩刃等问题。本文用微米级WC粉、(Ti、W)C粉和Co粉为原料(平均粒度为2.26μm),研究了采用行星式球磨机球磨粉体的工艺,压坯制备工艺,烧结工艺,测试了烧结式样的性能,分析了微观组织。通过上述研究和讨论分析,可以得出以下结论:(1)采用行星式球磨机,球磨工艺参数分别为:球料比为10:1、球磨转速为220r/min、真空气氛、湿磨介质为酒精。用激光粒度测试仪测定复合粉末平均粒度,测试结果表明:球磨时间从0h逐渐增大在60h,WC-5TiC-10Co复合粉末平均粒度从2.26μm减小到了0.51μm,复合粉体粒度减小速率很快,并且粒度分布比较均匀。(2)对于准纳米级WC-5TiC-10Co粉体,在2min的保压时间下压制压坯,随着成型压强的增加,压坯的密度都逐渐升高。压制压强从50MPa升至80MPa,压坯密度提高较快,由6.4g/cm3增大到6.9g/cm3;压制压强从80MPa升高到150MPa,压坯密度虽进一步提高到7.2g/cm3,但是提高的幅度较小。加压速度对复合粉末压坯密度几乎不产生的影响,但是对压坯的合格率影响较大。为了得到比较好的压制试样,压制过程可以采用“先快后慢”的方式。这不仅保证了较高的生产效率和合格率,同时也保证压坯能够获得较高的密度。(3)在烧结时,采用以10℃/min的升温速度从室温升到600℃,保温30min,然后以5℃/min的升温速度升到1200℃保温30min,再以5℃/min的升温速度升到烧结温度,分别是1300℃、1350℃和1400℃,保温时间为1h,将真空度控制在1.2×10-2Pa之内,该工艺参数设计合适。(4)随着烧结温度从1300℃增大到1400℃时,对于压制压强为50MPa(80MPa、100MPa、150MPa)的试样,烧结体密度由12.98g/cm3(13.27g/cm3、13.56g/cm3、13.81g/cm3)增大到13.80g/cm3(14.09g/cm3、14.41g/cm3、14.27g/cm3),烧结体密度随温度的升高而增大。(5)压制压强分别为50MPa、80MPa、100MPa、150MPa的压坯,在相同的压制压强下,试样线收缩率随着烧结温度的升高而增加。温度从1300℃升至1350℃时,收缩系数S分别从20.67%(21.09%、21.88%、22.34%)增加至21.11%(21.56%、22.00%、23.33%);在温度从1350℃升至1400℃时,收缩系数S又分别增加到22.89%(25.11%、25.33%、25.56%)。在相同烧结温度下,试样的线收缩率则随着压制压坯时的压强增加而降低。(6)准纳米级WC-5TiC-10Co硬质合金,在相同压制压强下的压坯,烧结温度在1300℃、1350℃和1400℃时,试样的洛氏硬度随烧结温度的升高而增加。在相同烧结温度(1300℃、1350℃或1400℃)下,试样的硬度都随压坯的压制压强升高而增加。压坯的压制压强达到100MPa时,试样经烧结后的洛氏硬度最大值分别出现在1350℃和1400℃,最大硬度值分别为91.1 HRA和91.2 HRA,该硬度值相对传统的硬质合金硬度有较大提高。(7)压坯的压制压强为100 MPa时,准纳米硬质合金的抗压强度随着烧结温度的升高而增大,在1400℃时达到最大数值1589MPa。压坯的压制压强为100 MPa时,试样的抗弯强度随着烧结温度升高而增大,在1400℃时达到最大数值896MPa。(8)在对未经过腐蚀处理的准纳米WC-5TiC-10Co硬质合金的金相研究中发现,在经真空烧结之后的准纳米WC-5TiC-10Co硬质合金中仍然存在一定数量的空隙和少量的杂质。这些缺陷在一定程度上影响了材料组织的连续性和整体性,将起到降低材料机械性能的作用。(9)准纳米WC-5TiC-10Co硬质合金,随着烧结温度的升高,孔隙度逐渐减小,表明随着温度的升高而使烧结体的致密化程度提高。在1400℃左右基本完成了准纳米WC-5TiC-10Co硬质合金的烧结致密化过程。(10)准纳米WC-5TiC-10Co硬质合金试样烧结后的金相组织是(TiW)C+γ+WC,其中出现了少量η1相,合金中η1相的出现是因缺碳引起。η1相属于脆性相,起到降低韧性,抗弯强度和抗压强度的作用,因而应当探索克服出现η1相的技术途径。(11)在烧结温度为1350℃时,准纳米WC-5TiC-10Co硬质合金的WC和(Ti,W)C晶粒比较小。烧结温度升高达到1400℃时,晶粒明显长大,WC和(Ti,W)C晶粒几乎增大了10倍,呈现出多边形状态。在进一步研究准纳米WC-5TiC-10Co硬质合金时,应当探索抑制晶粒长大的技术途径(12)从WC-5TiC-10Co硬质合金抗弯试样断口的SEM照片可以看到抗弯试样断口从宏观形貌上看平齐而光亮,属于脆性断裂,断裂模式为沿晶断裂。并且试样的SEM照片存在明显的韧窝,表明试样在断裂时发生了一定的塑性变形。从条状小坑的数量和面积来看,抗弯试样在断裂时发生了一定的塑性变形。
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