超粗晶硬质合金的研究现状与发展趋势

基于超粗晶硬质合金具有优异的耐磨性、抗冲击性、抗热疲劳性等特点,在煤炭采掘、矿物开采、隧道掘进、路面养护等领域表现出色,成为近年来硬质合金材料领域重点研究对象。本文对比了超粗晶硬质合金晶粒度的评判标准,综合评述了国内外超粗WC粉末制备技术和超粗晶硬质合金制备技术方面的研究成果,指出超粗晶硬质合金的技术发展趋势为特粗低钴硬质合金的制备技术及粘结相相强化技术。     

中粗WC含量对Ni-Co粗晶硬质合金微观组织及性能的影响

研究了中粗WC含量对Ni-Co粗晶硬质合金微观组织与晶粒分布的影响,进而讨论了晶粒分布对硬质合金力学性能的影响。通过金相分析了中粗WC含量对硬质合金晶粒度与邻接度的影响,并利用截线法研究了微观组织的晶粒的分布规律;研究了晶粒度与晶粒分布对磁力、密度及其它力学性能的影响。结果显示,中粗WC晶粒可均匀分布在粗晶WC周围阻碍粗晶与粘结相接触,抑制了粗晶粒的快速粗化,降低了合金平均晶粒度与平均自由程,使晶粒分布逐渐转变为双峰分布;在压力烧结下所有合金的相对密度均在99.5%以上,通过对矫顽磁力的测试分析,验证了微观组织中晶粒双峰分布的准确性;平均晶粒度的降低使合金硬度逐渐增加、断裂韧性逐渐降低;微观组织中超粗晶粒逐渐减少,有利于硬质合金抗弯强度与耐磨性的提高。在Ni-Co粗晶硬质合金中加入部分中粗WC颗粒有利于减少晶粒粗化进而提高耐磨性,加入30%中粗WC颗粒时综合性能最好。     

双峰WC制备的WC-6%Co粗晶硬质合金组织结构与性能关系的研究

本文以WC-6%Co硬质合金为研究对象,通过混合两种不同粒度的WC粉末获得双峰分布的WC粉末原料,研究了两组WC原料比例对WC-6%Co硬质合金组织结构和性能的影响规律,并对不同组织结构硬质合金中的WC晶粒生长、断口形貌进行了分析。结果表明:通过混合不同粒度的WC粉末,可以获得不同组织结构的粗晶WC-6%Co硬质合金,即均匀结构和非均匀结构硬质合金;粗晶WC-6%Co硬质合金中大WC晶粒因具有更大的生长驱动力而更容易粗化,粗大WC晶粒普遍是穿晶断裂;粗细WC晶粒在适当比例条件下,非均匀结构(双晶结构)硬质合金具有比匀晶结构更好的断裂韧性。     

超粗晶WC-Co硬质合金的研究现状

超粗晶硬质合金是一类性能优异的新型合金,广泛用于采矿、凿岩、轧辊等领域,应用前景广阔。化学包覆法和纳米粉末溶解法是超粗晶WC-Co硬质合金制备的主要方法,介绍了超粗硬质合金原料WC颗粒平均粒度选择的动力学理论,碳含量对超粗合金中WC晶粒生长粗化的影响以及通过引入其它元素强化粘结相以提高合金寿命的探索结果。此外,分析了以合金硬度为常数时,晶粒尺寸与合金性能的关系,指出在保持合金硬度不变时,通过增大WC晶粒尺寸来提高合金的耐磨性和韧性是可行的。最后,展望了超粗晶合金的发展方向。     

APT晶型与粒度组成对碳化钨粉粒度及硬质合金晶粒异常长大的影响

选择单晶和多晶两种晶型的APT为原料，对粒度组成进行了筛分控制，通过对比以不同晶型与粒度组成的APT为初始原料制备的WC粉的形貌与粒度、硬质合金的粗晶数量，研究了APT晶型与粒度对WC粉和硬质合金物理性能与微观结构的影响。结果表明：相较于多晶APT，采用平均粒度接近的单晶APT制备的WC粉具备相对较小的平均粒度和更集中的粒度分布。同时，在不同碳含量和烧结温度下，以单晶APT为初始原料生产的WC所制备的硬质合金具备明显较少的异常长大晶粒，并且随烧结温度的升高和碳含量的增加，异常长大WC晶粒数量增加显著低于多晶APT生产WC所制备的合金；另外，无论是单晶还是多晶APT粉末中，控制200目以上粗大颗粒的存在，都会明显降低WC粉的平均粒度和离散度，并获得异常长大晶粒较少的硬质合金。     

硬质合金高温处理回收工艺研究

通过对硬质合金高温处理工艺的研究 ,获得了 WC晶形完整、晶粒粗大的可用于制取粗晶硬质合金的合金粉末。利用高温处理回收物料制取的粗晶硬质合金 ,其性能和使用效果可达到甚至超过正常的粗晶硬质合金。     

两种粒度WC配比与球磨时间对WC-20%Co粗晶合金显微组织的影响

为同时改善粗晶硬质合金的硬度和断裂韧性,本文分别采用粗颗粒(10μm)和中颗粒(4μm)WC为原料,制备了不同粗颗粒WC含量的粗晶WC-20%Co硬质合金,利用光学显微镜和扫描电镜研究了不同WC配比和湿磨时间对合金显微组织结构的影响规律。结果表明:随着粗WC的含量的增加,粗颗粒WC生长对细颗粒WC消耗量增加,合金由非均匀结构向均匀结构转变,WC晶粒粒度分布范围变窄小,WC晶粒异常长大的趋势受到抑制;随着球磨时间的增加,合金中WC晶粒的异常长大趋势增加,粗WC的含量达到80%时,可以抑制WC晶粒的异常长大。     

梯度超粗晶硬质合金的制备与组织性能研究

本文报道了一种制备梯度超粗晶硬质合金的新方法:结合初始WC-Co硬质合金棒料的成分设计和区域熔炼处理工艺,制备了显微组织和性能连续梯度分布的硬质合金棒料。对制备的梯度硬质合金棒料分别表征分析显微组织结构、晶粒尺寸、Co含量变化和硬度分布等,结果表明:沿着硬质合金棒料的轴线方向,WC晶粒尺寸范围为14.95~25.09μm,Co的质量分数变化为3.0%~12.5%,硬度变化范围为8 100~9 800 N/mm2。本文提出的新方法实现了梯度结构和超粗晶组织的有效结合,可赋予硬质合金棒料不同部位以不同特征的力学性能。     

纳米材料在硬质合金中的应用

WC晶粒不断细化是硬质合金发展的一个重要特征。从硬质合金的纳米原料、纳米硬质合金、纳米材料助长或增强超粗晶硬质合金以及硬质合金的纳米涂层材料等4个方面论述了纳米材料在硬质合金中的应用,着重报道了中国在这些方面的优势。纳米粒径原料的制备是首要难题,1997年发明的“紫钨原位还原”技术利用传统工艺制备纳米、超细碳化钨粉末,碳化钨粉的粒径可小于20 nm。纳米硬质合金技术利用低压热等静压或热等静压,克服了烧结过程中 WC异常长大的难题,制备100～200 nm纳米硬质合金,抗弯强度在5000 MPa以上,使用性能优于亚微或超细晶硬质合金,已用于生产。利用“纳米颗粒溶解法”制备的超粗晶硬质合金晶粒度可达12μm;而含有纳米Co2 W4 C增强相的超粗晶硬质合金产品,使用寿命比普通合金产品提高了2～3倍。涂层材料纳米化,是硬质合金工具的一个发展方向,在耐磨性、硬度和抗裂纹扩展方面有明显优势,加工工件表面质量更好,工具使用寿命更长。     

粗晶硬质合金的研究进展

随着粗晶硬质合金的应用越来越广泛,对粗晶硬质合金的相关机理以及制备方法的研究越来越受到重视。本文概述了粗晶硬质合金在使用过程中的裂纹扩展应力松弛、WC塑性变形增强、钴相平均自由程增加、抗热效应增强等几种强化机理,综合分析了国内外在粗晶硬质合金制备技术方面的研究现状,重点介绍了轻度球磨法、钴相包裹法、纳米粉末溶解-再沉淀法等混合料制备方法和烧结工艺方面的研究进展。提出了粗晶硬质合金的研究及发展方向--研究评估粗晶硬质合金性能的指标体系以及开发先进的制备工艺。     

国内外矿用高耐磨、高韧性硬质合金新技术

近年来随着国内国外采掘业的快速发展,对硬质合金材料也提出了越来越高的要求,而耐磨性和韧性在传统的同一硬质合金中却是一对此消彼长的矛盾体。本文着重列举了超细及纳米晶粒硬质合金、双粘结相结构硬质合金、双晶结构硬质合金、"高温粉末"基硬质合金、功能梯度结构硬质合金以及低钴粗晶硬质合金共六种近年来国内外实现高耐磨性与高韧性协调统一的硬质合金新技术,归纳和比较了各技术的制备工艺、技术原理、材料性能和发展状况。探讨了晶粒大小、微观结构以及所选原料性能等引起硬质合金硬度、耐磨性、强度、韧性等宏观力学性能的变化,分析了各主要因素的影响趋势,以及各种技术需要解决的问题,以期对我国发展新型硬质合金提供有益参考。     

矿用纳米稀土硬质合金的磨损性能研究

以石英砂为磨料,研究了YG12硬质合金的冲击磨料磨损性能与其纳米稀土添加量、硬度及断裂韧度之间的关系。结果表明,随着纳米稀土含量的增加,该硬质合金的磨损体积先减小再增大,加入1wt%纳米稀土时,其磨损量最小;随着硬度、断裂韧度的增加,合金的抗磨损性能提高。岩石颗粒的混合、粘结相的脆变和WC晶粒的破碎是矿用纳米稀土硬质合金的主要磨损机制。     

路面铣刨机用聚晶金刚石截齿头的研制

采用纳米结合剂梯度过渡层连接技术,在六面顶压机上合成路面铣刨机用聚晶金刚石截齿头。采用砂轮修整和落锤冲击的方法进行耐磨性、抗冲击性和耐热性等3方面的测试。结果表明:所合成的聚晶金刚石截齿头磨耗比大于25万,抗冲击韧性为1220 J;在750℃保温1.5h的条件下,具有很好的热稳定性;制成的路面铣刨机截齿,在铣刨沥青混凝土路面时,使用寿命是硬质合金截齿的6倍。      

金刚石增强稀土纳米硬质合金复合齿研究

以液相复合—连续还原碳化方法制备的纳米复合WC-Co粉末、共沉淀法制备的Ni-Ce粉末和真空蒸镀W膜金刚石为原料,采用热压活化烧结,在1050℃的烧结温度、70MPa烧结压力、保温(3～5)min烧结条件下,制取了具有良好抗冲击性能和耐磨性的金刚石增强稀土纳米硬质合金复合齿。复合齿基体的维氏硬度HV1≥1800,抗弯强度TRS≥2800MPa,合金晶粒度在(200～400)nm之间,复合齿超硬部分的磨耗比≥80。结果表明共沉淀法制备的Ni-Ce粉末显著降低了合金中微孔和杂质等组织缺陷,大大提高了金刚石增强纳米硬质合金复合齿的整体性能。     

钢结硬质合金的磨料磨损耐磨性

对五种不同成分的钢结硬质合金的磨粉磨损耐磨性在两种不同的磨损条件下进行了系统地研究，分析了各种钢结硬质合金的显微组织，并测定了它们的整体宏观硬度。试验结果表明，钢结硬质合金中碳化物的种类、含量以及钢基体的组织和硬度对其耐磨性均有着显著的影响。碳化物和钢基体的硬度越高以及碳化物的体积分数越大，则钢结硬质合金的耐磨性也越高，工具钢结硬质合金的耐磨性明显高于高锰钢结硬质合金的耐磨性。     

硬质合金铣刀铣削性能研究

为了探讨国内外高端产品的质量水平,为国产硬质合金铣刀性能提升提供有益的指导,对比研究了国内外知名品牌铣刀的耐磨性和失效形式。采用端面中心对称干切削方式,按照实验室铣刀试验规范对相同材质的国产某品牌刀片和国外刀片在相同工艺条件下进行了铣削对比实验,工件材料为45#钢。实验结果表明:两种刀片高速干式铣削45#钢的寿命没有明显差异。国产刀片失效形式主要为磨损失效,其在45#钢的高速干式铣削上显示出了较高的耐磨性;国外刀片同时表现出崩刃失效。     

Mechanical properties of a hybrid cemented carbide composite

Microstructural effects on the mechanical properties of a hybrid metal matrix composite, double cemented (DC) carbide, have been investigated. DC carbide contains granules of WC/Co cemented carbide in a matrix of cobalt. Overall composite hardness increases with decreased granule cobalt content as well as with decreased intergranular matrix fraction of cobalt. High-stress abrasive wear resistance also increases with decreased granule cobalt content and matrix fraction. Fracture toughness of the composite increases with increased cobalt matrix fraction and to a lesser extent with increased granule cobalt content. Increased granule size increases both fracture toughness and wear resistance. DC carbide exhibits a superior combination of fracture toughness and high-stress wear resistance than conventional cemented carbide. The combination of toughness and wear resistance in the composite improves with increased granule hardness.     

脱β层厚度对CVD涂层硬质合金性能的影响

通过对WC-TiC-(Ta,Nb)C-Co硬质合金在1 300～1 380℃的渗氮气氛处理和随后的脱N烧结制得了不同脱β层厚度的合金基体,通过化学气相沉积(CVD)工艺制成从内到外依次为TiN/MT-TiCN/Al2O3/TiN的涂层硬质合金。采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪、抗弯(TRS)和切削试验对合金基体涂层前后的组织特征与性能进行了研究。结果表明,随着脱β层厚度的增加,试样涂层前后的抗弯强度均增加,在厚度达到20μm以上时,增加不明显。CVD涂层硬质合金可转位刀片的抗冲击性能也有相应的规律,而耐磨性则基本上保持一致。