双晶WC硬质合金的 放电等离子烧结制备与性能研究

选用2种不同粒度的WC粉末按照一定的配比,采用SPS烧结制备出无粘结剂的双晶硬质合金样品,对样品的维氏硬度、断裂韧性、抗弯强度等力学性能进行测试,并用XRD和SEM对其物相组成和微观形貌进行分析。实验结果表明,在1 900℃,40 MPa烧结条件下,当超粗颗粒平均粒径为45.0μm时,双晶WC硬质合金的硬度、断裂韧性和抗弯强度达到最大值,分别为1 645 HV1,14.61 MPa·m~(1/2),653.0 MPa,综合力学性能最佳。     

WC晶粒度对硬质合金/不锈钢钎焊接头微观组织与性能的影响

为了探讨不同晶粒度硬质合金的钎焊性能,采用3组晶粒度分别为0.7、1.0和1.6μm的WC-13%Co(含量为质量分数)硬质合金与不锈钢进行高频感应钎焊,并对钎焊后硬质合金的硬度和断裂韧性进行检测,对焊接接头的抗弯强度进行测量,分析焊接界面和断口形貌。结果表明晶粒度对硬质合金基体性能影响较大。钎焊后元素向硬质合金侧的扩散程度随晶粒度的增大而减弱,钎焊后靠近焊缝处硬质合金的硬度和断裂韧性变化率随着WC晶粒度的增大而增大。钎焊接头抗弯强度随着WC晶粒度的增粗先略增大后降低,当硬质合金晶粒度为1.0μm时的钎焊接头获得最大抗弯强度值为410MPa。随着WC晶粒度的增大,钎焊后接头断口处硬质合金的断裂形式从以沿晶断裂为主向以穿晶断裂为主变化。     

Fe/Ni比对WC-Fe-Ni硬质合金微观组织及性能的影响

在1450℃下低压烧结制备5种不同Fe/Ni比(质量比)的WC-Fe-Ni硬质合金,通过SEM、TEM、XRD、力学性能测试和电化学测试研究Fe/Ni比对硬质合金的显微组织和性能的影响。结果表明:随Fe/Ni比增大,晶粒尺寸先下降后上升;Fe/Ni比为3:1时,合金晶粒尺寸最小,为1.24μm;合金抗弯强度变化趋势和晶粒尺寸变化呈反比;硬度不断提高,断裂韧性变化与烧结致密度变化均保持先上升后下降趋势;在Fe/Ni比为3:1时,合金断裂方式主要为沿晶断裂,在Fe/Ni比不等于3:1时会出现较多穿晶断裂;合金耐酸性溶液腐蚀能力不断变差。当Fe/Ni比为3:1时,合金的综合性能最好,其硬度、抗弯强度、断裂韧性、腐蚀电流密度分别达到934HV、3047MPa、23.3 MPa?m~(1/2)、3.98×10~(-5) A/cm~2。     

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-10%Co细晶硬质合金晶粒夹粗的模拟研究

在细晶硬质合金原料粉末中添加少量4μm和11μm的WC粉末模拟合金中的晶粒一般夹粗和异常长大,研究粗晶WC含量及尺寸对WC-10%Co细晶硬质合金组织与性能的影响。结果表明:添加2%～8%的4μmWC粉末的合金,合金中的粗晶WC零星分布,粗晶尺寸约4～10μm,粗晶面积分数约0.29%～1.42%;添加2%～8%的11μmWC粉末的合金,合金中的夹粗现象非常明显,粗晶WC大于10μm,粗晶面积分数约0.99%～5.03%,呈现较明显的双峰组织。粗晶WC的粒度和含量影响WC-10%Co细晶硬质合金的性能,当参比原料粉末中添加相同规格的WC粉末时,随着添加量的增加,磁力、硬度、横向断裂强度、抗压强度逐渐下降,断裂韧性逐渐增加。添加2%的4μmWC粉末的WC-10%Co细晶合金,粗晶WC尺寸小于10μm且均匀分布,每平方毫米粗晶个数约为438,粗晶面积分数为0.29%,综合性能可达到未含夹粗WC合金的性能。     

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。     

工艺条件对WC-12%Co超细硬质合金性能的影响

采用不同粒度的WC粉,加入VC、Cr3C2做抑制剂,制备WC-12%Co超细硬质合金。采用D60-25型钴磁仪测量合金磁饱和,利用排水法测定合金密度,采用三点弯曲法在CMT4504拉伸机上检测合金的抗弯强度,试样抛光后在JEOL-6701F扫描电镜下观察合金的显微组织。研究了不同的WC粉末粒度、球磨时间、烧结工艺对WC-12%Co的超细硬质合金性能的影响。结果表明:过压烧结可明显提高合金抗弯强度、硬度和密度;随着球磨时间的增加,合金硬度不断上升,抗弯强度先增后减;采用0.55μm粒度WC粉制备的合金的硬度明显高于0.70μm粒度WC粉制备的合金。在本次实验中,选用0.55μm的WC粉末原料,混合料球磨85 h,通过过压烧结,可制备出性能优良的WC-12%Co超细硬质合金,硬度HV≥1 800,抗弯强度≥3 400 N/mm2。     

WC晶粒离散度对WC-Co硬质合金断裂韧性的影响

硬质合金的平均晶粒度影响着合金的使用性能,而硬质相粒度分布对合金性能的影响较少报导。本文选用经典工艺制备的4批粘结相质量分数6%、平均晶粒度为1.6μm、不同WC晶粒离散度试样,1批网状合金试样,1批粘结相质量分数8%、平均晶粒度为1.6μm、WC晶粒高离散度试样,通过Palmqvist压痕实验测定其断裂韧性来研究WC晶粒离散度对硬质合金断裂韧性的影响。结果表明,经典试样WC晶粒离散系数由0.425 8增大至0.533 7时,断裂韧性由15.7 MPa·m~(1/2)降至11.6 MPa·m~(1/2),维氏硬度基本保持1 420 HV30左右;粘结相含量、平均晶粒度及维氏硬度相同的网状结构硬质合金,其WC离散系数为0.653 6时,Palmqvist压痕断裂韧性高达16.0 MPa·m~(1/2);粘结相质量分数为8%的试样,其WC离散系数为0.612 1,维氏硬度为1 350 HV30,断裂韧性仅为12.5 MPa·m~(1/2)。离散度小的硬质相分布及特别的微观结构设计都可以在不降低硬度的情况下提升合金的韧性。     

WC-Ni-Fe-Mo硬质合金的微观结构与性能研究

本文采用低压烧结的方式制备了性能良好的 WC–Ni–Fe–Mo 硬质合金,研究分析了不同 Mo 添加量对 WC–Ni–Fe硬质合金组织性能的影响。结果表明：不同 Mo 添加量对 WC–Ni–Fe 硬质合金的微观结构与性能有着显著地影响。添加微量的 Mo 可以抑制 WC-Ni-Fe 硬质合金中 WC 晶粒的溶解再析出长大,一定程度上可以细化 WC 晶粒。随着 Mo 在 WC–Ni–Fe 合金中的含量增加,合金孔隙率逐渐下降。密度先下降后升高,而抗弯强度的变化趋势则相反。当 Mo 添加量较少时,合金的硬度较为稳定,抗弯强度明显提升,而断裂韧性逐渐降低;当 Mo 添加量较大时,合金的硬度、抗弯强度降低,而断裂韧性上升。当 Mo 的添加量为0.5 wt %时,合金具有最佳的力学性能,可与同比例 Co 含量的 WC–Co 硬质合金相媲美,其维氏硬度为 HV 1460、抗弯强度为 4245 MPa、断裂韧性为 17.01 MPa·m1/2。     

WC-TiC-TaC-Co硬质合金中TaC含量对其显微组织和力学性能的影响

利用SEM、EDS、三点弯曲装置及硬度计等手段研究了TaC含量对WC-TiC-TaC-Co硬质合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,WC-TiC-TaC-Co硬质合金主要由3种相组成:WC相、(W, Ti, Ta)C相和γ相。随着TaC的质量分数从4.6%增加到7.3%,尺寸小于0.5μm的WC晶粒比例增加;尺寸大于1μm的复合碳化物(W, Ti, Ta)C晶粒比例增加,且均匀分散分布的(W, Ti, Ta)C开始聚集。合金的密度、硬度与断裂韧性均呈先下降后上升再下降的变化趋势;合金的抗弯强度呈先上升后下降的趋势。当TaC含量为6.3%时,合金的综合力学性能最佳:硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为1749 HV₃₀、10.2 MPa·m^1/2和2247 MPa。     

WC粒度、配碳量对WC-9%Ni硬质合金组织与性能的影响

采用Ni作为黏结相，通过粉末冶金工艺制备WC-9%Ni(质量分数)硬质合金，通过光学显微镜、硬度仪、X衍射分析仪等仪器，研究WC粒度、配碳量对WC-9%Ni硬质合金组织与性能的影响。结果表明：合金晶粒度受配碳量的影响较小，随WC粒度增大而增大；合金硬度随配碳量增加而降低，随WC粒度增大而降低。费氏粒度1.78μm的WC与费氏粒度2.4μm的WC制备的合金洛氏硬度最高分别为88.6HRA、87.5HRA，维氏硬度HV₃₀最高分别为11.9、11.0 GPa。合金矫顽磁力与比饱和磁化强度极低，合金断裂韧性随配碳量的增加而降低，随WC粒度增加而增加，抗弯强度受配碳量影响较小，随WC粒度增加而降低。     

镍含量对超细WC-Ni-VC-TaC硬质合金结构和力学性能的影响

采用放电等离子烧结(SPS)方法,结合使用VC和TaC晶粒抑制剂,制备Ni质量分数为6%~10%的超细WC-Ni硬质合金。研究表明,所制备WC-Ni-VC-TaC硬质合金WC晶粒在0.2~0.4μm;合金中含有大量微孔,但微孔大小随合金中粘结相Ni含量增加而减小。且随合金中Ni含量增加,合金中WC晶粒略有增长,合金相对密度先减小后增大,硬度由24500MPa逐渐减小到18600MPa(HV1),但抗弯强度却由1600MPa增大到2140MPa。     

WC粒度对梯度硬质合金组织和性能的影响

由于不同材料的热膨胀系数不同,涂层在冷却过程中可能因为热应力不同而产生裂纹,表面富粘结相的梯度硬质合金基体因粘结相含量高,韧性好,能有效吸收裂纹扩展时的能量,延长涂层刀具的使用寿命。为了研究WC晶粒度对梯度硬质合金的组织及性能的影响,制备了三种WC粒度的硬质合金。采用XRD和SEM对梯度硬质合金的相成分、微观组织进行了分析。实验结果表明,三种WC晶粒度的硬质合金表面均形成了梯度层。随着WC晶粒度的增大,梯度层厚度减小,抗弯强度和断裂韧性增大。三种梯度硬质合金表层显微硬度分布趋势相似。当WC晶粒度较小时,梯度硬质合金无梯度的合金芯部断裂形式均以沿晶断裂方式为主,随着WC晶粒度的增加,穿晶断裂方式增多;梯度表层出现了Co相变形和撕裂形貌,存在蜂窝状的韧性花样。     

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。     

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。     

Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料的力学性能与微观结构

采用真空热压工艺制备了添加纳米ZrO2和微米WC的Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料,并研究了材料的力学性能与微观结构。结果表明:在纳米ZrO2添加量为5%、微米WC添加量为9.6%(质量分数,下同)时,Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料的综合力学性能较好,抗弯强度为1014MPa,断裂韧性为7.25MPa·m1/2,硬度为15.57GPa,其抗弯强度和断裂韧性比未添加纳米ZrO2与微米WC的Ti(C,N)基金属陶瓷材料分别提高了3.5%和18.1%。材料断裂模式为以穿晶断裂为主的穿晶/沿晶断裂混合模式。"晶内型"纳米结构弥散增韧、纳米ZrO2相变增韧以及裂纹桥联、裂纹偏转是其主要的增韧补强机理。     

球磨时间对无粘结相超细硬质合金组织及性能的影响

采用传统粉末冶金方法在1 850℃真空烧结条件下制备了无粘结相超细硬质合金,研究了球磨时间对无粘结相超细硬质合金组织及性能的影响。结果表明:球磨时间对无粘结相超细硬质合金组织及性能有显著的影响,延长球磨时间有助于合金的烧结致密化,降低烧结体孔隙度;而延长球磨时间对合金WC平均晶粒度和粒度组成影响不明显;在WC粉末配碳量不足时,烧结后的合金中产生W_2C相,并且W_2C相含量随着球磨时间的延长而逐渐增加;随着球磨时间的延长,合金的硬度(HV_(10))先增加然后趋于稳定,合金的断裂韧性随球磨时间的变化不明显。当球磨时间为84 h时,合金的综合性能最佳,维氏硬度(HV_(10))为2 590 kg/mm~2,断裂韧性为6.7 MPa·m~(1/2)。     

用喷雾转化法制备的纳米晶粉末烧结的WC—10Co硬质合金的力学性能

研究了纳米晶WC－10Co硬质合金的力学性能和显著结构。这种纳米晶WC－10Co硬质合金粉末是将含有偏钨酸铵（AMT）和硝酸钴的溶液喷雾干燥制得的纳米晶前驱体粉末再经过还原和碳化制备的。直径约100nm的WC粉末与Co炽结相混合均匀，并在1毫乇压力和1375℃下进行烧结。为了与纳米晶料WC－10Co的显微结构和力学性能相比较，将直径范围为0．57－4μm的工业用WC粉末与Co粉混合，并在与纳米晶粉末相同的条件下进行烧结，在纳米晶WC－10Co硬质合金中加入不同量的TaC、Cr3C2和VC作为晶粒长大抑制剂。为研究WC－10Co硬质合金中Co粘结相的显微结构，以WC－10Co硬质合金烧结温度下制备了Co-W-C合金。WC－10Co硬质合金随着WC粒度的减小而增加的硬度因而符合霍尔－佩奇型关系式。WC－10Co硬质合金的断裂韧性随着Co粘结相的HCP（密排六方相）／FCC（面心六方相）比的增大（由于HCP／FCC相引起的）而提高。     

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。     

W粉粒径和烧结温度对一步法制备WC-10%Co硬质合金组织性能的影响

等离子球磨“碳化烧结一步法”制备WC-Co硬质合金有利于板状晶WC的形成和形态控制。本文进一步研究了等离子球磨W-C-Co复合粉末的组织演变,着重考察原始W粉粒径和烧结温度对WC-10%Co硬质合金组织、性能的影响。结果表明,等离子球磨使W颗粒显著呈片状,并增加其中位错等缺陷,提高粉末中的变形储能,同时增加了W/C反应界面,均有利于WC板状晶的生成;随着原始W粉粒径增加,等离子球磨所制备的层片状聚集体的片径越大,其生成的板状WC晶粒也越大,板状WC晶粒的定向排列程度也越高;随着烧结温度增加,WC晶粒的长径比和板状WC晶粒的定向排列程度有所提高。当原始W粉粒径为2.5μm、烧结温度1 440℃时,所制备的WC-10%Co硬质合金样品垂直于压制方向截面的横向断裂强度、硬度和断裂韧性分别为3 542 MPa、14.896 GPa、16.73 MPa·m^1/2;平行于压制方向截面的硬度和断裂韧性为13.975 GPa、15.06 MPa·mm^1/2。