功能梯度 WC-Co/WC-Fe-Ni双层硬质合金的研究

使用新的制备方法成功制备了功能梯度WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金。冷压成型所需的压制压力需要保持在15 MPa,在这个压力下WC-Co和WC-Fe-Ni层的烧结收缩率相同,制备的双层合金没有分层和裂纹等不利现象出现。采用X射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）等实验手段研究了双层合金的相组成与微观结构,发现合金中没有η或者石墨相的存在,而且,WC-Co和WC-Fe-Ni层间的界面处结合良好。同时,在WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金的界面处有明显的连续变化的 Fe, Ni 和 Co 成分梯度,两层间的成分梯度导致界面附近的硬度梯度的形成。制备的功能梯度WC-Co/WC-Fe-Ni双层结构硬质合金同时高的硬度、耐磨性和韧性。     

WC-Co梯度硬质合金的本构关系及应用（英文）

功能梯度硬质合金实现了高硬度与高强度的完美结合。然而,由于材料成分及物性的梯度变化使得材料内部的残余热应力影响了产品的性能。为了分析制备及服役过程中梯度硬质合金中残余应力的影响,通过定义弹性约束因子和引入塑性约束因子得到了材料的弹塑性本构关系,将此本构模型结合有限元方法得到了梯度硬质合金内部残余热应力的分布。数值计算结果表明:残余热应力主要集中在样品近表面的梯度区。在富钴区出现了拉应力,而在表明出现了压应力,表面最大压应力有380 MPa。同时,采用X射线衍射(sinψ)~2法测试了样品的表面应力,得到的结果是–379.75 MPa,实验观测与数值模型符合较好。     

气氛烧结法制备WC-Co梯度硬质合金的研究进展

粘结相呈梯度分布的WC-Co梯度硬质合金可有效解决传统结构硬质合金存在的性能瓶颈问题,具有良好的应用前景。本文介绍了采用控制气氛烧结制备WC-Co梯度硬质合金的方法,综述了梯度硬质合金制备过程中Co相梯度结构形成机理的研究进展,指出了WC-Co梯度硬质合金的进一步研究方向。     

功能梯度硬质合金

虽然功能梯度硬质合金已开发多年 ,但是对其了解几年前还是一无所知。最近芬兰技术大学ＭｉｃｈａｅｌＧａｓｉｋ教授在一篇题为“功能梯度ＷＣ/Ｃｏ材料的成型和烧结的文章中就烧结梯度硬质合金采用新的方程组对成型进行了研究 ,他认为影响梯度组成和结构的因素主要包括粉粒的尺寸和形状 ,Ｃｏ含量 ,第 2、3硬质合金相及晶粒生长抑制剂等。他指出功能梯度材料的烧结要求仔细控制炉温及环境。日本的ＫｅｉｉｃｈｉＴｓｕｄａ在一篇文章中介绍了钻头耐磨稳定刀具的结构 ,它的制备要求有成型模和钢基体。热压模采用传统结构 ,模具是由碳制成 ,…     

WC-Co梯度硬质合金的本构关系及应用

功能梯度硬质合金实现了高硬度与高强度的完美结合. 然而, 由于材料成分及物性的梯度变化使得材料内部的残余热应力影响了产品的性能. 为了分析制备及服役过程中梯度硬质合金中残余应力的影响, 通过定义弹性约束因子和引入塑性约束因子得到了材料的弹塑性本构关系. 将此本构模型结合有限元方法得到了梯度硬质合金内部残余热应力的分布. 数值计算结果表明: 残余热应力主要集中在样品近表面的梯度区. 在富钴区出现了拉应力, 而在表明出现了压应力, 表面最大压应力有380MPa. 同时, 采用X射线衍射法测试了样品的表面应力, 得到的结果是-379.75Mpa. 实验观测与数值模型符合较好.     

纳米硬质合金的弹性模量（英文）

本文的研究目的是获得纳米晶WC-Co硬质合金的弹性模量,并分析其弹性模量不同于常规微米硬质合金的原因。采用放电等离子烧结(SPS)方法制备纳米晶硬质合金,分别采用SPS烧结和低压烧结(sinter-HIP)制备常规微米晶硬质合金。烧结试样的显微组织和WC晶粒尺寸采用X射线衍射技术、扫描电镜、透射电镜及旋进电子衍射技术进行表征。弹性模量采用纳米压痕技术中的连续刚度法进行测量,并取其稳定区域的平均值得到。结果表明,与SPS制备的微米级硬质合金相比,纳米晶WC-Co硬质合金的弹性模量较小,可能与界面含量增多和放电等离子烧结过程的快速加热和冷却造成合金钴相中hcp-Co含量增多有关。     

渗碳工艺对WC-Co梯度硬质合金的梯度结构和硬度的影响

对缺碳硬质合金采用渗碳处理制备梯度硬质合金,利用显微组织分析和维氏硬度测试等方法,研究渗碳工艺对梯度硬质合金的梯度结构和硬度的影响。结果表明：渗碳处理后随着渗碳时间延长,梯度层厚度增大,长时间渗碳还会出现梯度结构消失现象;渗碳时表面层WC晶粒长大,且渗碳时间越长晶粒长大越严重;渗碳后梯度硬质合金的表面硬度明显提高;渗碳后合金的表面硬度明显高于烧结态合金的表面硬度;随着渗碳时间的延长,合金表面硬度先增大后减小;合金的硬度在截面上沿梯度方向呈连续梯度变化,合金表面层因WC含量较高、钴含量较低而具有较高的硬度,中间层因钴含量较高、WC含量较低,其硬度较低。     

WC-Co硬质合金的强度

对两相 WC- Co硬质合金的研究表明 ,并非由钴含量 XCo而是由碳含量 XC 所决定的 相成分 (钨和碳在 相中的浓度 )才是制约 WC在 相中溶解—析出过程的决定性因素 ,因而也是影响 WC- Co合金 WC平均晶粒尺寸 LWC的重要因素。求得了相应于最大抗弯强度 σTRSmax的 LWC～ XCo反比关系式和最佳 相平均自由程 λ。 的取值范围。提出了在 相质量分数 X 增大引起 λ。 增大的情况下 λ 对应的合金结构由连续的 WC骨架向连续的 相网络的过渡的概念 ,从而较合理地解释了σTRSmax～λ 双支线关系和粗、细晶合金的σTRS～ XC关系。两相 WC- Co合金的强度取决于合金的钴含量、碳含量和WC平均晶粒尺寸并归因于 相平均自由程和 相中钨和碳固溶度的影响。在σTRS～λ 左支线范围内合金的断裂韧性 KIC同σTRS呈线性关系。在求得显微结构参数、成分和强度同磁性、密度和硬度的定量关系的基础上提出了无损鉴定两相 WC- Co硬质合金的结构、成分和强度的原理。     

功能梯度材料板安定区域优化（英文）

采用遗传算法优化功能梯度材料陶瓷相体积分布并考虑了金属相材料的强化,得到了循环力/热耦合作用下的功能梯度材料板的最佳安定区域,其中功能梯度材料热物参数空间分布规律采用一个指数函数描述,并给出了Al/SiC功能梯度材料板优化后的安定区域图。     

无η相梯度WC-Co硬质合金的微观结构与性能

采用气氛烧结法制备了无η相梯度WC-Co硬质合金,并通过扫描电子显微镜观察渗碳处理前后样品的微观形貌和WC晶粒尺寸,X射线能谱仪测量Co含量的分布,X射线衍射仪分析样品的相结构,显微硬度计测量样品表面、心部的硬度,X射线应力仪测量样品烧结表面的残余应力,钴磁测量仪和矫顽磁力计测量样品的钴磁值、矫顽磁力,对梯度硬质合金的微观结构和性能进行了分析。结果表明,通过渗碳处理可以制备出无η相的梯度WC-Co硬质合金,WC晶粒有长大的趋势,但长大幅度较小;渗碳处理后合金钴磁值增大,矫顽磁力减小;梯度硬质合金的硬度呈梯度分布,表面硬度显著高于渗碳处理前的硬质合金的平均硬度;梯度硬质合金烧结表面的残余应力为压应力,残余应力数值低于渗碳处理前的硬质合金。     

WC-Co硬质合金离子束表面改性研究

研究了注入不同剂量Ｍｏ,Ｍｏ＋Ｃ离子及Ｔｉ,Ｔｉ＋Ｙ离子的ＷＣ－Ｃｏ硬质合金的硬度、成分及相组成的变化,经离子注入后,材料表面硬度显著提高,其中双元注入比单元注入效果要好,相分析表明,离子注入使ＷＣ晶面间距增大,稀土元素Ｙ的注入在材料表面形成了Ｙ的氧化物膜层。     

WC-Co硬质合金的显微结构参数

通过X射线衍射分析 (XRD) ,扫描电镜 (SEM)体视学测量和磁性与密度测试 ,并依据碳化钨(WC)基合金维氏硬度HV与γ相平均自由程λ间的Hall Petch型关系式和HV的“混合物规则”进行验证 ,探讨了两相WC Co硬质合金显微结构参数间的定量关系。结果表明 ,γ相平均自由程λ与WC晶粒邻接度CWC 间存在反向对应关系 ,与γ相体积分数fγ 和WC平均晶粒尺寸LWC 间存在正向对应关系 :λ =1 0 5× 10 - 5·(1-CWC) 3 7=8 74× 10 - 2 ·(f- 1γ - 1) - 0 79·L0 79WC ,说明fγ 和LWC对λ～CWC关系的影响处在测量误差范围内 ,因而用CWC(或λ)、fγ 和LWC中任意两个参数都能准确表征两相WC Co硬质合金的结构特征 ;合金的比矫顽磁力HSC与γ相平均自由程λ间存在定量关系 :HSC=4 0 5× 10 - 7 λ。讨论了用磁性和密度测定值无损鉴定两相WC Co硬质合金显微结构参数的可行性。     

WC-Co硬质合金的相转变

用高温 X射线衍射装置对低碳 WC- 2 0 Co合金混合料进行了从室温到130 0℃连续升温过程的动态相转变研究。结果表明 ,以低碳 WC粉为原料的 WC- Co系合金在真空烧结升温过程中是通过钨和碳原子的扩散作用消耗原料中的游离态钴和WC(90 0℃以下是 W2 C和单质钨 )进行的脱碳型不平衡相转变。除 90 0℃以下由原料中的 W2 C(和单质钨 )及游离态钴生成η1 相外 ,10 0 0℃以上升温过程中生成的高温相η化合物和金属间化合物与原料中固有的 W2 C(和单质钨 )含量无关 ,也与钴的同素异构相变无关。烧结降温期间高温相通过增碳作用平衡转变成游离态钴和 WC,室温合金中的η1 相含量完全取决于原料中 W2 C(和单质钨 )的含量     

WC-Co梯度硬质合金的制备及渗碳对其组织的影响

采用光学金相检测、扫描电镜分析、能谱分析等方法对WC-6Co硬质合金渗碳处理后的成分和梯度组织结构进行分析.结果表明:对硬质合金渗碳处理后可形成显微组织和钨、钴含量的梯度分布,其特征是合金表层和次表层的η相已经完全消失,属正常的WC γ两相组织,合金的芯部依然是含η相的三相组织,中间形成了一个富钴层;碳原子的扩散和液相钴的流动是形成梯度的原因;在各渗碳温度下,合金的梯度结构厚度均随渗碳时间的增加而增加;在渗碳时间和渗碳温度相同的情况下,合金的梯度层厚度均随合金初始总碳含量的增加而增厚.渗碳处理后外表面的WC晶粒可能会产生一定的粗化现象.     

WC-Co硬质合金的弹性性能

综述了WC-Co硬质合金弹性性能的预测模型,并计算了硬质合金不同Co含量时的弹性性能参数值,并对不同的模型的预测值与文献中的测量结果进行了比较。采用引入WC晶粒邻接度C的Golovchan模型计算的WC-Co硬质合金的弹性模量值,相比Voigt-Reuss模型和Hashin-Shtrikman模型,更接近于实测值。而泊松比的值相对偏低,但可以采用Hashin-Shtrikman模型的泊松比上限确定泊松比的值。另外,给出了弹性模量的实验测定方法标准。这为硬质合金重要弹性参数值的确定提供了实验测定和理论计算的依据。     

WC-Co硬质合金的Palmqvist韧性

根据WC－Co硬质合金的真实断裂韧性KIC与维氏硬度HV间的实验关系规律和线弹性断裂力学分析，讨论了由Viswanadham和Venables提出的Palmpvist表面断裂韧性W和维氏硬度HV间的实验关系1／W＝AH－B的实用性和W＝β·GIC（GIC为应变释放率）假设的可靠性．结果表明，对于WC－Co硬质合金，难以用Palmqvist表面韧性取代KIC。     

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。     

液相烧结法制备大尺寸双层梯度结构硬质合金的研究

常规均质结构硬质合金的硬度与韧性是一对矛盾特性,需要根据实际使用条件,在硬度和韧性之间进行妥协取舍。功能梯度结构材料是解决这个难题的可行办法。本文采用液相烧结的方法,制备了具有双层梯度结构的大尺寸硬质合金制品。通过测试横向断裂强度(TRS)和室温冲击韧性(ak)研究了结合部位的强度。采用金相显微镜观察了结合部位的显微组织,并通过测试维氏硬度、密度和磁性能的方法分析了结合部位组织的梯度变化情况。实验结果表明:液相烧结扩散法可以实现不同硬质合金之间的冶金结合,结合强度可达2 000 MPa以上,结合部位的显微组织存在明显界面和显著梯度结构。     

WC-Co硬质合金冲击疲劳行为的研究

利用实验室自制的调温、调频、调载冲击实验机对3种组织成分的WC-Co硬质合金进行了不同实验条件下的冲击疲劳试验,研究了组织成分及实验条件对硬质合金冲击疲劳寿命的影响;通过扫描电子显微镜(SEM)及透射电镜(TEM)重点分析了疲劳过程中硬质合金微观组织的变化。结果表明:硬质合金的冲击疲劳寿命随试验温度和冲击能量的升高而下降,且随着冲击能量和试验温度的提高其疲劳敏感性增大。WC-Co合金的冲击疲劳断裂主要是以WC/WC界面和粘结相开裂为主,裂纹沿WC/WC和WC/Co界面及在Co相中扩展。随冲击次数的增加WC中位错数量增多并相互缠结,同时Co相发生面心立方-堆垛层错-密排六方的马氏体转变。     

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。