基于微观结构的WC-Co硬质合金硬度预报模型

采用"随机法"构建了考虑WC-Co硬质合金的Co相体积分数、晶粒平均粒径分布、晶粒形心分布以及晶粒取向角分布的微观结构模型,结合显微压痕实验的有限元模拟,提出一种基于材料微观结构的硬度预报模型。结果表明:"随机法"构建的微观结构模型较好地反映了材料的真实细观结构特征;材料的硬度受微观结构的影响较大,其中以Co相体积分数和晶粒平均粒径分布最为显著。模拟结果与实验结果吻合较好,从而证明了提出的模型能够准确地预报WC-Co硬质合金的硬度。     

WC-Co硬质合金微观结构的参数化模型

为实现WC-Co硬质合金的性能预报和微观结构的优化,提出了一种基于"随机法"构建材料二维微观结构模型的方法,该模型包含WC-Co硬质合金微观结构中WC晶粒的平均粒径、形心位置、取向角、长径和短径尺寸以及Co相体积分数等基本参数。采用C++,Matlab和Python语言汇合编程,得到可以直接导入有限元分析软件的模型。结果表明:构建的模型反映了真实的微观结构特征,实现了微观结构的参数化建模。模型的设计参数与实际参数比较吻合,证明了建模方法的可行性和模型的可靠性。     

WC-Co硬质合金微观结构随机性表征

为表征WC-Co硬质合金微观结构的"随机性",使用Matlab和VC++汇合编程对材料显微组织的扫描电镜(SEM)图片进行了图像处理,提取出微观结构的轮廓,计算了微观结构的拓扑参数并统计其分布规律。结果表明:开发的图像处理软件能够准确地测量WC-Co硬质合金微观结构的平均粒径、形心位置、取向角、长径、短径和Co体积分数等参数;并使用概率密度分布函数实现了材料微观结构的"随机性"表征。     

超细WC和细WC/Co添加对WC-10Co硬质合金微观结构与力学性能的影响

在粒径为0.5μm的超细碳化钨(WC)粉体表面包覆钴(Co)纳米颗粒获得细WC/Co,将细WC/Co、粗WC和Co粉通过球磨混合均匀，压制成型后在1420℃下真空烧结1 h,得到WC-10Co硬质合金。借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜、万能试验机等对比研究细WC/Co和超细WC对WC-10Co硬质合金微观形貌和力学性能的影响。结果表明：相比于超细WC,细WC/Co促进合金的致密化，并形成双晶结构。添加细WC/Co和超细WC制备的硬质合金的平均晶粒度分别为2.18μm和3.57μm。细WC/Co的添加会降低晶粒生长速度并抑制细晶完全溶解，而粗晶通过缺陷辅助生长及溶解-析出生长机制生长为表面阶梯状的缺角三棱柱形；硬质合金的硬度和断裂韧度得到提升，二者分别为1131HV₃₀和22.1 MPa·m^1/2,而在1131HV₃₀同等硬度下，其断裂韧度比线性拟合的断裂韧度高27.7%。机理分析认为，超细WC的添加会导致异常晶粒产生，不利于性能；而细WC/Co的添加能够同时形成双晶结构和均匀的钴相分布结构，降低晶粒缺陷，提升综合力学性...     

冷喷涂WC-Co涂层的组织结构和性能研究

以微米WC-12Co、纳米WC-17Co和WC-23Co三种团聚烧结粉末为原料,进行冷喷涂沉积涂层实验,通过扫描电镜、X射线衍射仪分别分析了涂层的组织结构和相结构,运用压痕法测定了涂层的显微硬度、弹性模量和断裂韧性,并通过销-盘磨损实验测定了涂层的耐磨损性能.实验表明,三种粉末所沉积的WC-Co涂层均具有致密的组织结构,涂层保持与原始粉末相同的相结构,黏结相Co由于强烈塑性变形发生了同素异构转变,涂层组织无传统层状结构,WC硬质相发生了局部流动和再分布.对于纳米WC-Co涂层,随着黏结相含量增加,涂层硬度和弹性模量降低、断裂韧性增加,相对于316L不锈钢,冷喷涂WC-Co涂层表现出了优异的耐磨损性能,涂层磨损失效机理主要为磨粒对涂层的切削作用.     

碳纳米管对硬质合金WC晶粒及强度的影响

以碳纳米管为增强相,WC-10Co硬质合金为基体,采用湿法球磨工艺将多壁碳纳米管(Multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs)和WC-10Co硬质合金粉料充分混合,通过真空烧结制成CNTs增强的WC-10Co硬质合金试样。采用SEM观测MWCNT在硬质合金基体中的分布和烧结后硬质合金微观结构。SEM显示碳纳米管嵌插在WC晶粒之间,抑制WC晶粒生长,使WC晶粒得到细化。试样横向断裂强度达到1 780 MPa,对比未增强试样提高了7.8%。     

Fe77Co2Zr9B10Cu2合金的制备及其磁性能

采用单辊快淬法制备了Fe77Co2Zr9B10Cu2合金,在530～750℃等温退火40 min,利用X射线衍射和振动样品磁强计研究了Fe77 Co2 Zr9 B10 Cu2合金的微观结构和磁性能。结果表明:淬态Fe77Co2Zr9B10Cu2合金为非晶、纳米晶双相结构。随着退火温度的升高,α-Fe晶体相从非晶、基体中析出,晶粒尺寸长大,晶化体积分数增加,矫顽力先减小后增大,比饱和磁化强度逐渐增大。实验结果表明,530℃退火后合金的矫顽力最小,在670℃时迅速增大。样品的磁性与其微观结构、晶粒尺寸、晶化体积分数等因素有关.     

WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具研究现状

化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)金刚石涂层刀具具有高硬度、优异的耐磨性、良好的冲击韧性和化学稳定性,能满足高效率、高精度的加工要求,逐渐成为切削铝和高硅铝合金、碳纤维增强复合材料及石墨等轻质量高强度难加工材料的主流涂层刀具。基于WC-Co硬质合金为基体的CVD金刚石涂层刀具在切削加工过程中容易发生CVD金刚石涂层的剥落,自主研发结合性能优良、长时间加工稳定的WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具仍是该领域国内外发展的必然趋势。目前,研究者为了提高WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的结合性能,采用化学刻蚀法和机械处理法相结合去除WC-Co硬质合金基体表层中的Co粘结相,发现其能增强涂层与基体的结合强度,但基体表层Co粘结相含量的减少容易导致基体中形成脆化层,降低基体的强度和韧性。为了减少基体的强度和韧性损失,研究者在WC-Co硬质合金基体和金刚石涂层之间制备稳定的含Co中间化合物或沉积中间层,成功阻挡Co粘结相的热扩散。除了上述方法外,研究者还通过调控金刚石涂层工艺参数和结构,将微米晶与纳米晶金刚石层叠相结合,来提高金刚石涂层刀具的摩擦学...     

晶粒生长过程的相场模型研究进展

材料微观组织很大程度上决定了其宏观物理力学性能,采用相场模型来模拟多晶材料体系的晶粒生长已成为国内外研究微观组织的热点之一.相场模型的核心在于引入一系列保守场和非保守场变量来表述微观组织的空间分布.详细介绍了场变量模型的基本原理和数值计算方法,综述了相场模型在晶粒长大模拟中的最新进展,提出了相场法在微观组织模拟中存在的问题及今后研究的方向.     

激光熔注中增强相颗粒对晶粒生长影响的CA模拟

基于元胞自动机法,结合Moore型邻居定义和晶粒生长理论,建立了增强相颗粒SiC对镁合金激光熔注中表层316L不锈钢晶粒生长的影响模型,模型考虑了晶界迁移率和晶界能等因素,实现了不同增强相颗粒体积分数和颗粒尺寸对晶粒生长影响的计算机模拟。结果表明,所建立的模型能较好的模拟晶粒生长过程,所得晶粒生长指数为0.42;增强相颗粒体积分数含量越高,晶粒生长越慢,晶粒尺寸越小;增强相颗粒尺寸越小,晶粒生长的越慢,晶粒尺寸越小,组织越均匀。     

硬质合金表面预处理状态对TiAlCrSiN/TiAlN涂层结构与机械性能的影响

采用电弧离子镀工艺在不同预处理后的硬质合金表面制备TiAlCrSiN/TiAlN涂层,采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、压痕法等研究硬质合金表面形态和涂层结构、力学性能和结合强度。结果表明：抛光处理后的硬质合金表面十分平整,表面粗糙度低至7.7 nm。酸洗处理使硬质合金表层Co相溶解而暴露出更多的硬质相,表面粗糙度增大,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在酸洗处理的硬质合金上生长速率增大,晶粒细小,硬度和弹性模量高,但硬模比较低。喷砂处理使Co相塑性变形而包络更多的硬质相,表面粗糙度大幅增加,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在喷砂处理的硬质合金上生长速率稍降低,晶粒粗大,硬度和弹性模量小,但硬模比较高。酸洗+喷砂复合处理的硬质合金表面TiAlCrSiN/TiAlN涂层的硬度、弹性模量、硬模比介于两种单独处理方式的之间。     

BaTiO3纳米粉体的制备和性能

采用溶胶-凝胶和溶胶-沉淀的方法合成了立方相纳米BaTiO3粉体．溶胶-凝胶法制备的粉体平均粒径为19nm，颗粒分布均匀、含少量BaCO3．溶胶-沉淀法得到了纯BaTiO3粉，平均粒径为42nm，存在部分团聚．两种方法相比，溶胶-凝胶法的粉体烧结密度较高，介电性能较好．讨论了两种合成方法的晶粒形成机理及对材料微观结构和介电性能的影响．     

真空和渗氮烧结WC-TiC-Co硬质合金的梯度结构形成机理研究

本实验对真空和渗氮烧结的WC-20TiC-0.5VC-0.5Cr_2C_3-12Co硬质合金的微观结构进行了研究。研究表明烧结气氛对WC-TiC-Co硬质合金的梯度结构具有关键性影响:真空烧结能使硬质合金形成厚度不低于20μm的无立方相表层,该表层主要由WC与Co相组成,无明显TiC相特征;而渗氮烧结促使硬质合金形成以Ti(C,N)与TiC为主要物相的富立方相表层。与此同时,研究发现氮气压强对富立方相表层的形成具有显著促进作用,随着氮气压强的提高,富立方相表层厚度明显增加。真空和渗氮烧结的硬质合金芯部微观组织均由WC相、(W,Ti)C相、TiC相与Co相组成。相对于渗氮烧结,真空烧结会导致硬质合金芯部WC的晶粒度增大。     

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5 000 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Co2W4C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。     

封面图片说明

正檨檨封面图片出自论文"研发硬质合金的集成计算材料工程".利用EBSD获得合金微观组织,再通檨过CAD软件进行二维重构,并导入到有限元软件ABAQUS中建立真实的微观组织有限元模型,同檨檨时赋予WC、Co相和立方相其相应的材料属性,如弹性模量、泊松比等,并沿y轴的负方向施加一个檨应变量为0.32%的位移量.利用ABAQUS模拟含有(Ta,W)C立方相偏聚体的超细硬质合金中的檨檨应力分布.该图为应变0.32%时WC和立方相骨架内应力分布,可以看到,蜂巢状(Ta,W)C立方     

VC/Cr3C2添加剂与烧结温度对超细WC-12Co硬质合金的影响

为了有效控制烧结过程中WC晶粒的长大,获得高强度高硬度的超细硬质合金,采用扫描电镜、拉伸机和洛氏硬度仪研究了不同质量分数及配比的VC/Cr3C2晶粒长大抑制剂和烧结温度对超细WC-12Co硬质合金的显微组织及力学性能的影响,并结合试验结果分析了超细硬质合金中VC/Cr3C2晶粒长大抑制剂的作用机理.结果表明,添加适量VC/Cr3C2晶粒长大抑制剂的超细硬质合金中WC晶粒尺寸分布集中,不存在明显的组织缺陷,合金具有细而均匀的微观组织及优异的力学性能.当晶粒长大抑制剂(质量分数)为0.2%VC/0.5%Cr3C2,1450℃烧结制备WC-12Co超细硬质合金的抗弯强度为3710MPa,硬度(HRA)为91.5.VC/Cr3C2晶粒长大抑制剂的作用机理为:VC主要与WC反应生成(W,V)C固溶体聚集在WC/Co界面,降低WC/Co界面能,Cr3C2主要固溶在粘结相中,导致WC在粘结相中的溶解度降低,二者的综合作用减缓了粘结相中WC溶解-析出过程,从而抑制烧结过程中WC晶粒的长大.     

无损鉴定WC-Co硬质合金显微结构参数的物理基础

根据γ相磁性分析法用物理性能测定数据进行计算或用体视金相学技术直接测定γ相平均自由程,所得真实γ相平均自由程λ和通称γ相平均自由程λγ的关系规律一致。依据λ和λγ的关系确定了γ相平均自由程λ或WC晶粒邻接度CWC分别与γ相体积分数fγ和WC平均晶粒尺寸LWC的试验关系。阐明了用物理性能测定取代体视学测量无损鉴定WC-Co硬质合金显微结构参数的物理基础。结果表明:两相WC-Co合金的显微结构特征可用两个基本参数fγ和LWC确定;fγ和LWC分别主要取决于合金的钴配量和原料WC粉末平均颗粒尺寸,并在液相烧结过程中受γ相成分的制约;延长烧结时间将加剧LWC的长大程度,但不影响fγ的数量;烧结过程中fγ的增量和LWC的长大程度分别随合金碳含量的改变呈反向和正向变化,因而烧结过程中fγ的增加无助于WC晶粒尺寸的长大。     

晶粒长大抑制剂VC对原位生成WCoB-TiC-Co复相金属陶瓷的影响

为细化WCoB-TiC-Co复相金属陶瓷晶粒,改善其组织,提高其力学性能,以WC、TiB_2和Co粉末为主要原材料,采用真空液相原位反应烧结工艺,在1 400℃真空烧结炉中制备了WCoB-TiC-Co复相金属陶瓷.利用FE-SEM、EDS和XRD等技术,研究了不同含量的晶粒长大抑制剂VC对WCoB-TiC-Co复相金属陶瓷组织、物相构成、硬度、密度、耐磨性及抗弯强度和断口形貌等性能的影响.结果表明:添加适量的VC能有效细化WCoB-TiC-Co复相金属陶瓷晶粒,使得材料获得更均匀细小的微观组织,增加材料韧性和断口不平整性,增强材料抗弯强度,并且提高硬度、密度和耐磨性;当VC的质量分数增加到0.9%时,金属陶瓷的晶粒平均尺寸可细化到约1.3μm,硬度随之升高到91.5 HRA,抗弯强度达到794 MPa;但VC的质量分数继续增加到1.2%、1.5%时,其硬度、密度、耐磨性及抗弯强度均会有所降低.     

板状WC晶粒WC-(Co-Ni)硬质合金的组织和性能

采用真空烧结法制备了板状WC晶粒WC-(Co-Ni)硬质合金,通过XRD、SEM、EDS等手段研究了Ni/(Ni+Co)比对硬质合金组织和性能的影响规律。结果表明:随着Ni/(Ni+Co)比的增大,硬质合金显微组织中板状WC晶粒的比例逐渐减少,硬质相颗粒的尺寸逐渐增大且平均长厚比逐渐减小。当Ni/(Ni+Co)比过大时,硬质合金中硬质相颗粒出现了团聚现象,使其力学性能显著降低。当Ni/(Ni+Co)比为0.3和0.5时,WC-(Co-Ni)硬质合金的综合力学性能较高,这与其硬质相颗粒较细和平均长厚比较大有关。当Ni/(Ni+Co)比为0.5时,WC-(5Co+5Ni)硬质合金具有较优的综合力学性能,其抗弯强度、硬度和断裂韧性分别为2 448 MPa、90.0HRA、21.2 MPa·m~(1/2)。     

硬质合金模具材料中相组织结构述评

详细地论述了硬质合金模具材料WC-Co合金、TiC基合金、钢结硬质合金中的相组织结构,并就影响相组织结构的主要物理冶金因素及相界面组织结构的研究提出了几点见解,为生产优质合金模具材料提供理论参考。