氧化-还原碳化法回收再生高性能硬质合金的研究

以废旧WC-Co硬质合金为原料,采用氧化和原位还原碳化的短流程方法合成再生WC-Co复合粉末,随后对再生复合粉低压烧结得到再生硬质合金。利用XRD、SEM和TEM等对再生复合粉和再生硬质合金的物相和显微组织形貌进行观察和分析,系统研究了原料粉末中配碳量对再生复合粉和再生合金的物相组成和力学性能的影响。配碳量为16.60%时制备的再生WC-16%Co(质量分数,下同)硬质合金的断裂韧性为24.80 MPa·m1/2、横向断裂强度达到3860MPa,并且分析了再生硬质合金的显微组织与性能之间的关系。     

再生WC-Co复合粉及高耐磨性硬质合金涂层的制备

以WC-6Co废旧硬质合金块体和Co_3O_4粉末为原料,采用氧化-还原碳化法制备再生WC-12Co复合粉,将复合粉经过造粒和热处理制备再生热喷涂喂料,进而采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备再生WC-Co硬质合金涂层,比较再生硬质合金涂层和商业购买热喷涂喂料制备涂层的显微组织、耐磨性及其机制。结果表明:当配碳量为16.70%(质量分数)时,再生复合粉的碳含量适中;制备的再生热喷涂喂料由WC和Co相组成,热喷喂料球形度好,粒径分布均匀,平均粒径为23μm;再生WC-12Co硬质合金涂层的结构致密,WC晶粒尺寸分布均匀。与商业化热喷涂粉制备涂层显微组织和性能相比,再生涂层的磨粒磨损性能明显优于商业喷涂粉制备涂层的,其根本原因是两者的磨损机制不同。     

VC添加量对纳米晶硬质合金的制备及性能影响

以钨钴氧化物、炭黑和VC为原料,采用原位还原碳化法制备WC-Co复合粉末,将复合粉末进行放电等离子烧结致密化制备WC-Co硬质合金块体材料。研究了不同VC添加量的复合粉末和块体材料的相组成、显微组织和性能,结果表明:VC的添加量对复合粉末的相组成、合金的晶粒尺寸和性能具有重要的影响,原料中添加2.0%VC(质量分数)时可获得平均晶粒尺寸为101 nm,相组成仅为WC和Co且具有高硬度和良好韧性的硬质合金块体材料。     

VC和碳含量对超细晶硬质合金室温和高温性能的影响

以原位还原碳化技术制备的WC-8Co复合粉和VC粉末为原料,采用低压烧结技术制备出超细晶硬质合金。系统研究了VC添加量和复合粉中碳含量对硬质合金的相组成、显微组织、室温和高温力学性能的影响。结果表明:硬质合金的晶粒尺寸、硬度和断裂韧性主要受VC添加量的影响,且随VC添加量的增加呈单调变化;抗弯强度随VC添加量的变化趋势与碳含量有关;压缩强度随温度的变化呈现先降低后升高的趋势;当WC-Co复合粉的碳含量为5.60%～5.68%(质量分数)、VC添加量不超过0.5%时,可分别制备出室温抗弯强度为4482MPa和600℃下抗压缩强度为4914MPa的高综合性能的超细晶硬质合金。基于微观组织特征的分析,结合弹-塑性有限元模型对应力分布的模拟,对超细晶硬质合金力学性能的变化规律及影响机理进行了分析。     

纳米强化片状W/Co/C复合粉末的制备与烧结体性能

采用高效球磨细氧化钨、扁平片状W粉、碳黑、钴及适量晶粒长大抑制剂等为原料,通过碳辅助氢还原制备质量分数20%纳米钨强化片状W/Co/C复合粉末,于低压真空烧结炉中在1 410℃的温度下一次碳化烧结,制备了含片状晶WC-10%Co(质量分数)硬质合金,研究了质量分数20%纳米W的引入对合金烧结致密化及其性能的影响。对不同粉体的比表面、费氏粒度进行了测定,观察了粉体的颗粒形貌和WC-Co烧结体的显微组织,同时按硬质合金性能测试标准检测了烧结体的物理、力学性能。结果表明,采用质量分数20%纳米钨强化片状W/Co/C复合粉末,经一次碳化烧结可制备出致密化程度高的含片状晶WC-Co硬质合金;质量分数20%纳米W粉的引入利于压坯烧结收缩致密化,促进片状WC晶粒的生成,不仅有利于合金硬度(耐磨性)的提高,还因裂纹扩展机制的变化,合金的断裂韧性明显改善。     

以石墨烯为碳源的硬质合金制备与性能

以N-甲基吡咯烷酮分散的石墨烯代替常规的冶金炭黑作为碳源,采用短流程原位还原碳化反应制备出纳米晶WC-Co复合粉末。采用放电等离子烧结系统对复合粉末进行快速烧结致密化。结果表明,石墨烯作为碳源可显著降低原位还原碳化反应温度,复合粉末粒径细小且分布均匀。得到的超细晶硬质合金块体材料平均晶粒尺寸约为290 nm,HV_(30)硬度值为13.877±0.131 GPa,断裂韧性KIC值为8.3±0.1 MPa·m~(1/2)。通过HRTEM观测表明,试样中WC/WC晶界、WC/Co相界、WC/C相界具有很高的匹配度。     

纳米复合WC-6Co粉末的快速烧结

以液相复合-连续还原碳化方法制备的纳米复合WC-6Co粉末为原料，采用放电等离子烧结（SPS），制取了超细硬质合金。利用扫描电镜、维氏硬度仪、洛氏硬度仪、密度测试仪、MTS陶瓷测试系统等，观察烧结体显微结构，测试其硬度、密度、断裂强度、矫顽磁力、磁饱和度。结果表明采用放电等离子烧结获得的烧结体的硬度HVl≥19500MPa，断裂强度TRS≥2800MPa，平均晶粒度150nm～300nm。制备了高强度、高硬度的超细WC-6Co硬质合金。     

纳米晶WC-6Co复合粉合成及特性研究

使用喷雾转化、煅烧和原位还原碳化技术制备了纳米晶WC-6Co复合粉末。通过XRD研究相组成发现,经过喷雾转化处理后粉末为无定形相、经煅烧后的粉末为WO3与Co3O4相、经还原碳化工艺后的物相是WC与Co相;由于Co对碳化过程的催化作用,将煅烧后的粉末置于氢气气氛中加热至900度还原碳化1个小时,即可将粉末碳化完全,制备出WC与Co相共存的纯净复合粉。文章还研究了还原碳化温度（700-900 ℃）对粉末相组成的影响,并通过SEM和HRTEM观察粉末形貌与微观组织。结果表明：制备的粉末具有球形结构,WC晶粒约0.36 μm,亚晶尺寸约为56 nm,说明WC晶粒是多晶体。同时发现粉末中的WC单颗粒被Co相互粘结在一起,且在WC与WC颗粒的接触部位发现存在烧结颈。文章还讨论了复合粉球形结构的形成过程和机理。     

以石墨烯为碳源的硬质合金制备与性能研究

以N-甲基吡咯烷酮分散的石墨烯代替常规的冶金炭黑作为碳源,采用短流程原位还原碳化反应制备出纳米晶WC-Co复合粉末,石墨烯作为碳源可显著降低原位还原碳化反应温度,复合粉末粒径细小且分布均匀。采用放电等离子烧结系统对复合粉末进行快速烧结致密化,得到平均晶粒尺寸为~290nm的超细晶硬质合金块体材料,具有硬度值HV30为1387.7±13.1kg/mm2,断裂韧性KIC值为8.3±0.1MPa?m1/2的良好力学性能,通过HRTEM观测得到试样中WC/WC晶界、WC/Co相界、WC/C相界具有很高的匹配度。     

化学包裹粉工艺制备粗晶粒WC-Co硬质合金

以费氏粒度为8.06μm的WC粉与Co(NO3)2·6H2O为原料,采用N(CH2CH2OH)3(TEA)为还原剂制备WC-12%Co(质量分数)包裹粉,以包裹粉为原料制备WC-12%Co硬质合金。采用扫描电镜观察包裹粉与合金中WC晶粒的立体形貌,采用X射线衍射仪分析粉末的物相组成,采用比表面积分析仪分析TEA还原产物多孔泡沫Co的比表面积,采用金相显微镜观察合金的组织结构。结果表明:包裹粉中Co为纯fcc高温相结构,呈多孔泡沫状纳米组装结构形式包裹在WC粉末表面;WC-12%Co合金组织结构均匀,平均晶粒度为4.8μm,WC晶粒结晶完整、呈规则多面体形状。     

纳米晶WC-6Co复合粉合成及特性研究（英文）

使用喷雾转化、煅烧和原位还原碳化技术制备了纳米晶WC-6Co复合粉末。通过XRD研究相组成发现,经过喷雾转化处理后粉末为无定形相、经煅烧后的粉末为WO_3与Co_3O_4相、经还原碳化工艺后的物相是WC与Co相;由于Co对碳化过程的催化作用,将煅烧后的粉末置于氢气气氛中加热至900℃还原碳化1 h,即可将粉末碳化完全,制备出WC与Co相共存的纯净复合粉。研究了还原碳化温度(700～900℃)对粉末相组成的影响,并通过SEM和HRTEM观察粉末形貌与微观组织。结果表明:制备的粉末具有球形结构,WC晶粒约0.36μm,亚晶尺寸约为56 nm,说明WC晶粒是多晶体。同时发现粉末中的WC单颗粒被Co相互粘结在一起,且在WC与WC颗粒的接触部位发现存在烧结颈。还讨论了复合粉球形结构的形成过程和机理。     

VC/Cr_3C_2及配碳量对WC-0.5Co超细硬质合金组织与性能的影响

以超细WC粉末和超细WC-6Co复合粉末为原料,添加VC/Cr3C2作为晶粒长大抑制剂,同时进行配碳,采用高能球磨和气压强化烧结制备晶粒度小于0.5μm的WC-0.5Co超细硬质合金,研究了不同VC/Cr3C2添加量及配碳量对其组织与性能的影响。结果表明:VC/Cr3C2有效抑制了烧结过程中WC晶粒的长大,显著提高了WC-0.5Co超细硬质合金的硬度。当VC/Cr3C2添加量为0.73%(质量分数,下同)时,合金的硬度(HV0.05)最高,达到32 658 MPa;同时一定的配碳量有利于控制合金中的脱碳,提高合金性能,当配碳量为0.2%时,WC-0.5Co-0.73VC/Cr3C2合金的综合力学性能最好,断裂韧性为6.935 MPa·m1/2,维氏硬度(HV0.05)为32 216 MPa。     

超细硬质合金晶粒生长抑制剂VC、Cr_3C_2作用机理的研究

本文以液相复合-连续还原碳化方法制备的掺杂有VC和Cr3C2抑制剂的纳米复合WC-10Co粉末为原料,采用真空烧结+低压处理的工艺制备超细WC-10Co硬质合金,运用原子力显微镜(AFM)和场发射扫描电镜(FESEM)确定VC和Cr3C2抑制剂在硬质合金中的分布,讨论其抑制晶粒生长的机理。一部分VC、Cr3C2抑制剂吸附在WC晶粒表面形成30nm～50nm的沉淀物,降低WC晶粒的表面能;一部分VC、Cr3C2溶解在Co相中,降低WC在液相中的溶解度;其余VC、Cr3C2沉积在WC晶界,从而有效地抑制WC晶粒的长大。     

原位合成WC-6Co复合粉末制备超细YG6硬质合金

将原位合成WC-6Co复合粉末采用干袋式冷等静压压制成型(压制压力1×10~8 Pa、保压时间15 s),将压制好的坯料采用低压烧结炉烧结(烧结温度1360℃、烧结时间40 min、加压5 MPa、保温保压时间20 min),烧结制备超细YG6硬质合金,对合金的形貌、金相组织及物理力学性能进行分析。结果表明:原位合成WC-6Co复合粉末制备的超细YG6硬质合金,晶粒异常长大,WC平均晶粒尺寸为0.8μm,硬度HV_(30)为(21500±100) MPa,较传统超细YG6X硬度高。再将WC-6Co复合粉末采用滚动湿磨、压力式喷雾干燥、掺成型剂、挤压成型、低压烧结等工序制备超细YG6硬质合金,研究不同晶粒长大抑制剂配比、球磨时间、挤压压力、烧结温度对合金性能的影响。结果表明:添加0.3%VC、0.8%Cr_3C_2(质量分数),湿磨48 h,挤压压力24 MPa,烧结温度1340℃,制备的超细YG6硬质合金WC晶粒均匀,无异常长大的WC晶粒,WC平均晶粒度尺寸0.4μm,呈多边形,外形较圆。强度、硬度最高,抗弯强度TRS为(2250±20) MPa、硬度HV30为(22600±100) MPa。断口形貌为沿晶断裂,沿WC与WC晶界断裂或WC与Co晶界断裂。     

WC-Co硬质合金特征晶面分布的研究

采用不同温度进行原位还原碳化反应制备纳米粒径的WC-Co复合粉末,进而利用放电等离子烧结技术进行快速致密化,制备得到致密的纳米晶硬质合金块体材料。系统的检测分析表明,低温下反应制备的以缺碳相为主相的复合粉经烧结致密化后块体试样存在WC晶粒高度取向分布的特征,其中,(0001)面在垂直于压力方向上面积分数达到40%,在平行于压力方向上(0001)面的面积分数仅为10.72%。与之对比,在高温反应制备的复合粉末烧结制备的块体试样中,没有出现特征晶面分布的各向异性。     

一步还原包裹粉工艺制备WC-Co超粗硬质合金

以费氏粒度为4.1μm的WC粉末和CoCl_2·6H_2O、(NH_4)_2C_2O_4·H_2O为原料,将钴粉制备过程与粉末混合过程相结合,一步还原制备WC-Co包裹粉,并以包裹粉为原料成功制备了WC-8%Co(质量分数)超粗硬质合金。借助扫描电镜、X射线衍射仪、化学元素分析仪、力学试验机等分别对WC-Co复合粉末及硬质合金的微观形貌、物相组成和性能进行表征与分析。结果表明,一步还原法制备的WC-Co包裹粉末中,Co为fcc和hcp双相结构,Co相呈树枝状包裹在WC粉末表面。由该包裹粉制备的硬质合金组织结构均匀,综合性能优异,合金平均晶粒尺寸为8.9μm,密度14.63g·cm~(-3),硬度87.6HRA,抗弯强度2438 MPa,断裂韧性20.92 MPa·m~(1/2)。一步还原包裹粉工艺克服了传统湿磨工艺混料过程中WC粒度显著减小的问题,晶粒度可控性好,且工艺流程简单,有潜在的工业应用价值。     

纯相低氧纳米WC-Co复合粉的制备

以紫钨、四氧化三钴、炭黑为原料,在高真空度条件下利用原位反应合成技术制备出物相纯净、平均粒径约为80 nm的WC-Co复合粉。研究了制备工艺参数对纳米复合粉相组成、粒径、氧含量及最终烧结硬质合金块体材料组织性能的影响。结果表明,纳米复合粉中氧含量较高时,会导致后续烧结过程中发生脱碳反应,使烧结制备的块体材料致密度和力学性能明显下降。将纳米复合粉在800℃下真空热处理2.5 h可有效降低粉末中的氧含量,同时热处理后的粉末颗粒无明显长大,平均粒径为85 nm。向复合粉中加入1.1%TiC与0.9%VC进行SPS烧结,烧结块体平均晶粒尺寸为105 nm,且尺寸分布均匀,致密度达99%以上,硬度(HV30)为21 450 MPa,断裂韧性达到9.81 MPa·m~(1/2)。     

W+Co+C(碳黑)制备板状晶硬质合金及其性能研究

采用经球磨扁平化处理的W粉末为原料,添加适量Co、C(碳黑)、成型剂及纳米W粉制备板状晶硬质合金,研究了烧结温度、时间和添加纳米W粉,对板状晶硬质合金显微组织结构和性能的影响。结果表明,球磨预处理中颗粒W粉末可获得扁平化程度高的薄片状W粉末,以其为原料制备的WC-12%Co(质量分数)板状晶合金相对密度达97%,合金硬度呈现出明显的各向异性;添加纳米W粉或提高烧结温度、延长烧结时间,均有利于压坯烧结收缩致密化,生成更多的板状WC晶粒。     

碳化帆颗粒尺寸对纳米晶硬质合金组织和性能的影响

利用原位还原碳化反应制备纳米尺度的WC-Co复合粉体,应用放电等离子烧结(SPS)技术制备出纳米晶WC-Co硬质合金块体材料。分析了晶粒长大抑制剂碳化钒(VC)颗粒尺寸对纳米晶硬质合金的显微组织、晶粒尺寸及分布和力学性能的影响。结果表明:当VC的粒径减小到100 nm以下时,利用快速烧结技术可制备得到平均晶粒尺寸约为70 nm的致密WC-Co硬质合金块体材料,其物相纯净,晶粒尺寸分布均匀,维氏硬度为19.84 GPa,断裂韧性达到12.10 MPa·m1/2。     

原料粉末粒径匹配对放电等离子烧结制备的超细WC-Co硬质合金性能的影响

采用亚微米WC粉和纳米Co粉以及亚微米WC粉和微米Co粉的混合粉末作为原料,利用放电等离子烧结(SPS)技术制备超细晶WC-10Co硬质合金.对比研究表明,以两种混合粉末为原料均获得了平均晶粒尺寸约为200 nm的超细硬质合金材料.其中,采用微米Co粉制备的材料的相对密度达到98.0%以上,硬度HRA达到94.5,断裂韧性达到13.50 MPa·m1/2,具有优良的综合性能;而采用纳米Co粉制备的硬质合金的组织均匀性和性能较差.根据SPS技术的烧结机理,对混合粉末的致密化机制进行了分析.