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。     

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。     

Cr3C2/VC复合抑制剂比例对WC-10%Co超细晶硬质合金微观结构和力学性能的影响

本文以WC-10%Co为研究对象,添加质量分数1.0%的Cr₃C₂/VC复合抑制剂,在1 410℃下烧结1 h,制备了WC-10%Co-Cr₃C₂/VC超细晶硬质合金,研究了Cr₃C₂/VC复合抑制剂比例对物相组成、WC晶粒尺寸和粒度分布、WC三维形貌及力学性能的影响。结果表明：随Cr₃C₂含量的减少和VC含量的增加,WC平均晶粒尺寸先快速后缓慢减小,WC粒度分布不断变窄;WC形貌由三棱柱向台阶三棱柱转变,WC(0001)晶面上的台阶数量不断增加,这些台阶会显著降低合金的断裂韧性和抗弯强度;WC-10%CoCr₃C₂/VC超细晶硬质合金的硬度先快速后缓慢增加,而断裂韧性和抗弯强度先快速后缓慢降低;当w(Cr₃C₂)∶w(VC)=4∶1时,WC-10%Co-0.8%Cr₃C₂-0.2%...     

VC/Cr3C2抑制剂对超细WC-Co硬质合金微观结构及铣削性能的影响

超细硬质合金是高速铣削刀具重要的基体材料。本文以WC-9%Co硬质合金(成分含量为质量分数,下同)为研究对象,配制4种样品主要探讨VC和Cr₃C₂这2种抑制剂及其复合添加对硬质合金的微观结构、力学性能和铣削性能的影响。结果表明:当抑制剂添加量为0.8%时,4种硬质合金中WC平均晶粒度的关系是■,添加VC的合金WC晶粒形貌主要是尖锐的三角棱柱,添加Cr₃C₂的合金WC晶粒形貌主要是板条状晶粒,VC和Cr₃C₂复合添加的合金WC晶粒形态呈现板条状和尖锐三棱柱的混合形态。添加VC显著提高合金的硬度以及抗弯强度,添加Cr₃C₂提高合金的断裂韧性,VC和Cr₃C₂复合添加的硬质合金综合性能在4种合金中最好,其硬度、抗弯强度和断裂韧性比WC-9%Co合金的分别提高7.4%、13.3%和14.6%。VC和Cr₃C₂复合添加的硬质合金耐磨性好...     

超粗晶硬质合金截齿的层状剥落

本文主要探讨采煤机用截齿在使用过程中的失效行为。重点研究焊接于截齿顶部的超粗晶硬质合金齿的"层状剥落"现象,探讨层状剥落出现的原因及其形成机理。分析表明:在采煤过程中,超粗晶硬质合金的热疲劳是导致其失效的主要原因之一,合金的热疲劳及超粗WC晶粒之间粘结相的先期去除是层状剥落形成的主要原因。通过适当增加合金中WC的平均晶粒度、采用特定手段强化合金中的Co相将有效减缓或避免超粗晶合金层状剥落现象。     

Cr、V、RE添加剂对特粗晶与超粗晶硬质合金微观组织与性能的影响

利用特粗晶与超粗晶硬质合金粗大粘结相平均自由程以及粗大WC原料粉末的特性,研究单一Cr、V以及Cr-RE与V-RE添加剂对特粗晶与超粗晶WC-Co合金微观组织结构、物理力学性能以及合金中Co粘结相纳米压痕力学性能的影响。结果表明,在此合金体系,Cr的加入可使合金保持微观组织结构均匀、WC晶粒粗大以及高韧性的特性,而且可使Co粘结相纳米压痕硬度HV2 mN提升了20.5%;V的加入使合金中WC晶粒大小出现明显两极分化,并显著降低合金韧性;微量混合稀土(RE)对V和Cr在合金中的作用行为影响不显著;合金矫顽磁力、硬度以及Co粘结相弹性模量对合金成分变化不敏感。     

WO3添加量对超粗硬质合金微观结构及性能影响*

本文以WC、WO₃、Co、C为原料,通过原位细晶溶解-析出长大法制备了超粗硬质合金,并分析了不同WO₃添加量对合金微观结构及性能影响规律。结果表明：初始粉末中加入的WO₃和C在烧结过程中将发生原位一步还原碳化反应转化为高活性的细WC,促进溶解-析出长大现象,使超粗硬质合金WC平均晶粒度随着WO₃含量增加而增大。同时,WO₃添加能够减少粗WC晶粒微观缺陷和曲边的阶梯状表面,平直化晶粒边界,使其形貌趋于形成完整的三角棱柱体,其(0 0 0 1)晶面占比高,能够有效提高合金硬度,阻碍裂纹扩展,增加钴相韧性断裂比例。当WO₃添加量为4.20wt.%时,制备的超粗硬质合金具有最大的硬度(1085kgf/mm₂⁾和抗弯强度(2692MPa)。     

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。     

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。     

纳米及超细复合粉添加对超粗晶硬质合金晶粒长大的影响及机制

在粗颗粒WC/Co混合粉末中分别添加平均粒径为100、250、400nm的WC-8Co复合粉,经球磨混合压坯后在不同温度进行Ar气保护烧结。针对烧结块体的形貌、晶粒尺寸及其分布进行了研究,并分析了复合粉添加对不同烧结阶段WC晶粒长大的影响机理。研究发现,在WC/Co混合粉中加入纳米和亚微米复合粉末均可制备得到超粗晶硬质合金,且添加纳米复合粉烧结的试样平均晶粒尺寸达到9.3μm。烧结初期,纳米和亚微米复合粉通过增加混合粉末的表面能而有效促进WC晶粒长大;当达到液相烧结温度时,添加纳米复合粉的烧结块体中,由于小晶粒具有更大的溶解驱动力,促使小晶粒溶解并在周围大晶粒表面析出,进一步增大烧结块体的晶粒尺寸;添加亚微米复合粉的块体中,小晶粒WC呈集中分布,使其溶解驱动力较小,且析出主要发生在周围细小晶粒之间,达到溶解析出动态平衡,从而使烧结块体的平均晶粒尺寸增长缓慢。     

超音速等离子NiCr/Cr3C2涂层的接触疲劳寿命

采用超音速等离子喷涂技术在45钢基体上制备了NiCr-Cr3C2金属陶瓷涂层,使用球盘式接触疲劳试验机对涂层进行不同载荷条件下的接触疲劳试验。采用范—蒙特福特假设检验验证涂层的疲劳寿命数据,发现其符合Weibull分布,随后建立Weibull失效概率图。通过该图可以直观的得到在同一工作条件下,涂层任意循环次数的失效概率,同时可以在一定范围内,预测某一工作载荷下涂层的接触疲劳寿命。该方法在试验数据较少的情况下,较为精确的表征了涂层的接触疲劳寿命,有效的提高了试验效率,节约了试验成本。     

超细晶硬质合金中VC／Cr3C2对晶粒长大的抑制作用及机理研究

研究了超细晶硬质合金VC／Cr3C2抑制剂作用及抑制机理。研究发现复合添加VC／Cr3C2可以有效抑制WC—10Co合金烧结过程中晶粒的连续长大，合金平均晶粒尺寸为0．5μm，具有较高TRS（横向断裂强度TransverseRuptureStrength）和硬度。TEM和EDS分析发现抑制剂元素的主要存在方式是溶解在粘结相中且分布均匀，未发现抑制剂元素偏聚和第二相析出，说明抑制机理在于抑制剂元素溶入粘结相Co后，显著降低W，C在Co中的溶解度，使液相烧结阶段WC晶粒的溶解一析出过程受到阻碍，从而抑制液相烧结阶段的晶粒连续长大。     

热处理工艺对WC-10%Co粗晶硬质合金性能及微观结构的影响

本文采用淬回火及深冷两种热处理工艺,对WC-10%Co粗晶硬质合金进行烧结后的处理,分析了合金热处理前后的物理机械性能、WC平均晶粒度及分布、钴相分布离差系数、钴相平均自由程的变化以及钴相中钨、碳的固溶度,并对烧结态、淬回火态、深冷态合金进行花岗岩冲击磨损实验,研究了热处理对合金的微观结构及物理机械性能的影响。实验表明:通过淬回火、深冷处理的粗晶合金的密度、磁力、硬度、WC平均晶粒度及分布变化较小;淬回火处理的合金钴磁降低比较明显,深冷处理对合金钴磁几乎无影响;淬回火、深冷处理后的合金钴相离差系数较烧结态有略微增大,淬回火、深冷处理的合金钴相平均自由程较烧结态的合金均有所增加;淬回火处理使钨在钴相中的固溶度提高,深冷处理使钴相中钨的固溶度降低。冲击磨损实验证明,淬回火态的WC-10%Co粗晶合金具备最佳的耐冲击磨损性能,而深冷态的合金最差。     

烧结温度对WC-15%(Co-Ni)粗晶硬质合金组织及性能的影响

本文以WC-15%(Co-Ni)粗晶硬质合金为研究对象,采用扫描电镜、金相组织观察、硬度、钴磁、矫顽磁力、密度、横向断裂强度、断裂韧性测试等试验手段,研究了不同烧结温度对合金的组织结构及性能的影响。结果表明:烧结温度对WC-15%(Co-Ni)合金组织结构有明显的影响,随着温度的升高,晶粒尺寸逐渐增加,粗细晶尺寸差异减小;烧结温度对WC-15%(Co-Ni)合金性能有较大影响,随着温度的升高,磁力值下降,而硬度、横向断裂强度和断裂韧性呈现先增加后降低的趋势;本实验条件下的WC-15%(Co-Ni)粗晶合金烧结温度在1 460℃时综合性能最佳。     

激光熔覆Ni-WC/Cr3C2涂层组织及性能

采用激光技术在45钢表面熔覆Ni-WC/Cr₃C₂涂层,采用SEM,XRD等手段进行熔覆层的显微组织、相组成及成分分析,并测试熔覆层的耐蚀性和耐磨性能.结果表明,Ni-WC/Cr₃C₂熔覆层底部生成方向性较强的胞状树枝晶,中上部组织为细小的树枝晶.涂层主要是由γ-(Fe, Ni),M₂₃C₆型碳化物以及未熔的WC颗粒组成.细晶强化、合金元素固溶强化以及碳化物强化的共同作用,使熔覆层的显微硬度提高至711HV0.1.熔覆层耐蚀性明显改善,腐蚀电流密度约为45钢的1/4.随着摩擦速度的增大,激光熔覆Ni-WC/Cr₃C₂涂层和45钢磨损量增加,且熔覆层的磨损量低于45钢,表明其耐磨性能明显提高.     

添加Al_2O_3对粗晶WC-10%Co硬质合金力学性能和显微结构的影响

以超粗碳化钨粉和球形钴粉为原料,通过在粗晶WC-10%Co基体中加入细微Al2O3颗粒,通过低压烧结制备粗晶硬质合金。采用金相显微镜、扫描电子显微镜观察合金微观形貌,测定抗弯强度、冲击韧性、硬度等力学性能。结果表明:添加一定含量的Al2O3可以使硬质合金的晶粒细化,晶粒形貌趋向球化而且分布均匀,因为球化WC晶粒和较大的Co相平均自由程的存在使得裂纹产生偏转、分叉和不连续现象,从而提高硬质合金的抗弯强度,冲击韧性和耐磨性。添加是质量分数0.4%的Al2O3使合金的抗弯强度从2 492 MPa提升到2 832 MPa,冲击韧性从6.18 J/cm2提升到7.52 J/cm2。     

热处理对Y2O3掺杂WC-Co硬质合金显微组织及性能的影响

采用固液掺杂法和放电等离子烧结制备了WC-Co-Y₂O₃硬质合金,随后对其进行了不同温度的退火处理。采用光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和维氏硬度计等研究了热处理前后WC-Co-Y₂O₃硬质合金的显微组织和力学性能。结果表明：氧化钇的加入可以细化WC-Co-Y₂O₃合金中的WC晶粒,提高了合金的维氏硬度和断裂韧性;随着退火温度的升高,WC-Co-Y₂O₃合金的维氏硬度逐渐降低,断裂韧性先升高后降低;WC-Co-Y₂O₃合金在500℃退火时拥有最佳的综合性能,维氏硬度为(1377±15) HV30,断裂韧性为(13.0±0.4) MPa·m^1/2。     

激光熔覆Co+Cr3C2复合涂层的组织与性能

在低碳钢表面激光熔覆了钴基合金涂层(Co60)以及添加不同含量Cr3C2(20%,40%,60%,质量分数)的Co Cr3 C2复合涂层,比较研究了几种涂层的组织与性能.结果表明,Co60涂层主要由初生γ-Co枝晶及其间的共晶组织γ Cr23 C6组成;Co Cr3 C2涂层主要由未熔Cr3C2、杆状或块状的富Cr碳化物及其间的细小枝晶组织组成,组成相主要为γ-Co、Cr7 C3,Cr23 C6和未熔Cr3 C2.添加的Cr3 C2改变了涂层的凝固特征,并细化了组织.随着Cr3 C2加入量的提高,未熔Cr3 C2以及凝固过程中形成的富铬碳化物明显增加.三种Co Cr3 C2涂层的硬度、耐磨性、高温抗氧化性与耐蚀性比Co60涂层均有明显的提高.随Cr3 C2加入量的提高,复合涂层的高温抗氧化性与耐蚀性均提高,而Co 40%Cr3 C2涂层的耐磨性最好.     

原位自生TiB2/7050复合材料的高周疲劳断裂机制

TiB₂/7050铝基复合材料在航空发动机等领域具有重要的应用前景。本文研究了TiB₂颗粒质量分数为4%的原位自生7050铝基复合材料在T6热处理状态下的室温高周疲劳性能,利用扫描电子显微镜对复合材料的疲劳断裂机制进行分析。结果表明:在应力比R=?1、指定寿命为3×107周次时,TiB₂/7050铝基复合材料的疲劳强度为211.9 MPa,高于7050铝合金的疲劳强度;疲劳裂纹萌生源主要分布在近样品表面的夹杂、大尺寸的TiB₂颗粒及显微孔洞等区域;疲劳裂纹的扩展在遇到TiB₂颗粒带时,疲劳条带的宽度会明显减小,即TiB₂颗粒提高了复合材料的抗疲劳裂纹扩展能力,使得复合材料具有高的疲劳寿命。     

复合添加Cr_3C_2/NbC对超细晶WC-10%Co硬质合金组织和性能的影响

采用真空烧结方式制备超细晶WC-10%Co硬质合金,研究了复合添加晶粒长大抑制剂Cr3C2/NbC对合金组织及性能的影响。结果表明:在1400℃烧结条件下,添加剂的组成为0.4%Cr3C2+0.3%NbC时(文中含量均为质量分数),合金具有最好的综合力学性能,抗弯强度可达1951MPa、硬度1615HV30;WC平均晶粒尺寸为490nm。经SEM观察并通过EDS发现,抑制剂Cr3C2/NbC固溶到粘结相Co中,改变界面能,限制WC晶粒的长大;同时,也会降低WC在粘结相Co中的溶解度,从而起到细化晶粒的作用。