硬质合金相图热力学和扩散动力学数据库及其应用

硬质合金是由难熔金属化合物和粘结相通过粉末冶金工艺制成的材料,它具有硬度高、耐磨、强度和韧性好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。介绍了包含C-Co-Cr-W-Ta-Ti-Nb-N等元素的硬质合金热力学和动力学数据库。简述了热力学数据库中的热力学模型和优化计算,并以C-Cr-Ta三元系为例介绍了热力学优化计算的方法和步骤。所建立的硬质合金动力学数据库包含液相和fcc相不同元素的原子迁移参数。利用修正的Sutherland方程对液相的原子迁移参数进行了评估,而fcc相原子迁移参数是基于对实验测定数据和文献数据的评估获得的。利用建立的硬质合金热力学和动力学数据库,可以计算多元系的相平衡、获取不同相的热力学性质和溶解度信息、模拟合金中元素和相的分布等。该数据库可用于设计合金成分和烧结温度、预测元素含量及烧结气氛等对梯度硬质合金形成的影响、优化合金烧结工艺等。最后指出相图热力学和扩散动力学数据库及热物性数据库结合相场、有限元方法,定量描述硬质合金结构-性能的关系是今后的发展趋势。     

多元铝合金相图热力学、热物性质数据库及其应用

精确的热力学、热物性质数据库是对多元多相材料制备过程中微观结构演变定量描述的关键.高性能铝合金作为航空航天和国民生产用重要结构材料,其制备工艺的优化和设计一直备受关注.首先概述了多元多相铝合金热力学数据库构筑的方法及其最新研究进展,重点介绍了多元多相铝合金相平衡的测定方法和TEM、3DAP及第一原理计算在铝合金热力学数据库构筑中的辅助作用.随后介绍了多元多相铝合金扩散系数、粘度、摩尔体积数据库构筑的最新研究进展.给出3个实例介绍了热力学数据库和热物性质数据库在铝合金凝固过程中微观结构演变模拟的应用.最后简单总结了多元铝合金热力学和热物性质数据库目前面临的问题和挑战.     

钛铁矿碳热反应原位合成GT35钢结硬质合金的热力学分析

充分利用天然矿物钛铁矿(FeTiO3)中的铁和钛,采用原位合成反应烧结技术,成功制备了TiC基钢结硬质合金GT35.在真空炉中实现了合成与烧结一体化,为钢结硬质合金的低成本制备进行了有益的探索研究.对钛铁矿-碳体系的热力学过程进行了详细的理论分析,研究表明:体系主要发生碳热还原反应,中间产物为多种钛的氧化物,热力学上最为稳定的物相为TiC和Fe固溶体.通过实验证实,获得了界面结合良好、组织致密的钢结硬质合金.     

基于Pandat的Ti-Al系相图计算及热力学评估

基于相图计算理论,用Pandat 2016热力学计算软件、最新的钛合金数据库和热力学模型,计算研究了Ti-Al二元系相图。从相律、相图的特殊点、各相存在的范围、相变点等方面对其进行了详细的热力学评估。计算结果表明:计算相图和实验相图吻合得较好,其相对误差基本都在5%以内,为推广到三元或更高元体系相图奠定了基础。随后提出了一个新的计算Ti-Al二元系中(α+β)/β相变点的公式,其置信度为99.982%,与经验计算公式相比,计算更为准确,具有一定的参考价值和学术交流意义。     

热轧带钢层流冷却过程的温度预测模型

通过焓法模型和相变热力学和相变动力学模型来研究分析热轧带钢在层流冷却过程中的能量变化,利用层流冷却过程中带钢的温度场和热焓场的计算结果来预测带钢冷却后的温度,并验证热轧带钢层流冷却过程并非带钢温度下降的过程,而是带钢能量传递给了周围的环境。     

Thermo Calc热力学计算系统及其在材料研究中的应用

本文介绍一种国外常用的热力学计算软件系统Thermo Calc。在描述其数据库、模型与模块之后,将采用该系统对两种马氏体时效钢的计算结果与原子探针分析实验结果进行比较,示例其在材料科学研究中的应用。     

氟磷酸钙真空碳热还原反应机理

在真空条件下,本文采用热力学分析、XRD及化学分析等方法与手段,对SiO2在氟磷酸钙碳热还原制磷的过程进行了研究,考察了SiO2的添加量对磷矿还原率的影响.通过热力学研究,在压力100Pa温度低于1075℃ 时,Ca5(PO4)3F与C、SiO2的反应满足反应发生的热力学条件.实验研究表明:在真空度10Pa～80Pa,温度达到实验最高温度1550℃时,二氧化硅不能使氟磷酸钙发生脱氟反应,与热力学计算结果一致.还原率随着温度升高而增大,在低于1450℃时,添加SiO2有利于提高还原率;随m增加,还原率也增加,在1350℃时,还原率增大速度较快.由此作者提出了SiO2对氟磷酸钙真空碳热还原的反应机理.     

SiO2对氟磷酸钙真空碳热还原反应的影响

采用热力学分析、X射线衍射及化学分析等手段,对真空下SiO2在氟磷酸钙碳热还原过程的行为以及siO2添加量对还原率的影响进行了研究.热力学结果表明,当压力为100 Pa和温度高于1075℃时,Ca5(PO4)3F与C、SiO2的反应满足反应发生的热力学条件.实验研究表明:在系统压力10～ 80 Pa,温度达到实验最高温度1550℃,siO2不能使氟磷酸钙发生脱氟反应,与热力学计算结果吻合.还原率随着温度升高而增大,低温下,添加SiO2有利于氟磷酸钙碳热还原反应;当硅钙摩尔比SiO2／CaO从0.3增至1,还原率随之增加.     

相图热力学在能源材料中的应用

CALPHAD结合关键实验可以探究能源材料体系的多元多相反应.介绍了4个基于不同应用背景的合金体系的评估工作:液相烧结的SiC(LPSSiC)体系、转换型锂离子电池体系、掺杂Cr的TiAl基合金体系以及Zr基热障涂层体系.研究结果显示:CALPHAD热力学计算结果可以用于指导关键实验设计,从而进一步明确研究体系的相图和热力学性质.获得的实验数据又可以作为精炼CALPHAD模型和改进模型参数的输入条件.精炼后的模型参数构成的热力学数据库可用于计算各种相图(包括等温截面、垂直截面、可以用来计算可信的相图(等温截面、垂直截面及波动图)及液相面投影图.     

高性能超细、纳米硬质合金及其制备过程中的关键技术问题

介绍了超细、纳米硬质合金的国内外研究、生产以及市场情况,主要应用领域,硬度、抗弯强度、断裂韧性、热硬度、热导率等力学、热物理性能和使用性能特点,湿磨过程中的研磨与分散、混合料制备过程中的控氧、粉末成形、烧结过程中WC晶粒长大的控制和粉尘控制等合金制备过程中存在的关键技术问题以及解决这些问题的主要途径.     

硬质合金车刀改进前后切削能对比研究

在金属切削过程中,能量的产生与耗散时刻存在,这会直接影响加工材料的形变与加工质量。以硬质合金车刀为研究对象,借助结合理论计算、切削实验与仿真分析的研究手段,对改进的硬质合金微槽车刀和原车刀在切削高强合金钢过程中切削能的产生、传递与耗散展开研究,从能量角度揭示硬质合金微槽车刀的降温机理。研究发现,硬质合金微槽车刀较原车刀降低了切削过程的能耗,其单位总输入能、单位摩擦能、单位剪切能的降幅分别为5.1%,10.4%和3.4%;从能量耗散角度分析发现,硬质合金微槽车刀切削区平均温度低于原车刀,且理论计算和实验分析结果与仿真结果一致。研究结果为硬质合金微槽车刀的深入研究提供了理论支持,为其它类似金属加工过程中切削能量的对比研究提供了有效的参考。     

Mathematical models to predict surface finish in fine turning of steel. Part II

This paper outlines further experimental development of mathematical models for predicting RMS surface finish in fine turning operation using TiC coated and cemented tungsten carbide throwaway cutting tools. The five independent variables included are: cutting speed, feed, depth of cut, time of cut of tool, nose radius. Using these five variables at different levels an experimental approach, predictive models for tungsten carbide and titanium coated tungsten carbide tools were developed. A sixth variable, 'the type of cutting tool,' was used to develop a single model for both the TiC coated and cemented carbide cutting tools. AIS1 4140 steel was used as workpiece specimen in the experimental work. Stepwise regression analysis was used in developing the models.     

Development of the microstructure during gradient sintering of a cemented carbide

A gradient sintered WC–Ti(C,N)–Co-based cemented carbide has been studied. The material was sintered in a nitrogen-free atmosphere, resulting in an outward diffusion of nitrogen. Due to the strong thermodynamic coupling between nitrogen and titanium, an inward diffusion of titanium is created. As a result of the diffusion processes the material develops a cubic carbide depleted and binder phase enriched surface zone, and inside this zone a region enriched in cubic carbide. The structure of the gradient surface zone has been studied, where variations in volume fractions of the different phases present have been investigated by scanning electron microscopy (SEM) and image analysis, and elemental variations have been studied with electron probe microanalysis (EPMA). Computer simulations of the gradient formation, based on diffusion and thermodynamic properties, show good agreement with the experimental results, and the gradient formation can be reasonably well predicted. Also studies of grain composition have been performed. In the rim of the cubic carbide grains, variations in composition are found which can be related to the sintering process. The composition of cubic carbide grains has been studied with SEM and analytical electron microscopy.     

Influence of Ti on MC Carbide in M2 Steel

Influence of Ti on MC carbide of M2 high speed Steel was investigated by experimental observation, thermodynamic calculation and crystallographic calculation. With addition of Ti into M2 steel, large quantities of dispersed TiC particles formed in the steel melt at higher temperature than that of the formation of MC carbide. TiC can act as heterogeneous nuclei for the crystallization of MC carbide particles, and therefore promote the formation of blocky MC carbide.     

硬质合金技术研究进展

介绍了硬质合金的工业发展,对国内外技术进行了对比,并对硬质合金的应用进行了总结.     

两种WC-TiC-TaC-Co硬质合金刀片失效原因的分析比较

A45和C5两种WC-TiC-TaC-Co硬质合金刀片在相同的使用过程中发生了不同程度的失效,通过对其化学成分、显微组织和硬度等性能的分析与比较,找到了C5刀片比A45刀片使用寿命短的原因。结果表明:三元硬质合金中加入过多TaC并不能起到抑制α相晶粒长大和提高综合性能的作用,反而可能导致材料脆性增加,从而引起C5刀片早期失效。     

基于超细晶硬质合金钻头的AFRP钻削性能

采用超细晶硬质合金钻头开展了芳纶纤维增强树脂基复合材料(Aramid Fiber Reinforce Polymer Composites,AFRP)的钻削实验,从钻削力、钻削温度、制孔质量、刀具磨损等方面对比分析了超细晶硬质合金钻头与普通硬质合金钻头的钻削性能。实验结果表明:芳纶纤维增强树脂基复合材料钻削过程中,钻削力随进给速度的增大而增大,随主轴转速的增大而减小,超细晶硬质合金钻头的钻削力比普通硬质合金钻头降低了40.6%以上;钻削温度随进给速度的增大而减小,随主轴转速的增大而增大,相对普通硬质合金钻头,采用超细晶硬质合金钻头的钻削温度降低了47~85℃;超细晶硬质合金钻头钻削产生的拉毛和热损伤明显少于普通硬质合金钻头;经过长时间的钻削,普通硬质合金钻头的橫刃和主切削刃出现了崩刃,后刀面出现了严重的磨料磨损;而超细晶硬质合金钻头由于高硬度和高耐磨性等特性,刀具的磨损相对较小,适合于芳纶纤维增强树脂基复合材料的高效低损伤加工。     

中国超细晶硬质合金及原料制备技术进展

超细晶硬质合金是WC晶粒度≤0.5μm的硬质合金,这类合金具有高强度和高硬度的优异性能。目前由超细晶硬质合金制备的高效刀具已经广泛用于航空航天、核能、汽车、发电设备、新能源和电子通讯等现代制造业。主要对中国超细晶硬质合金原料(例如超细碳化钨粉、钴粉、复合粉)和超细晶硬质合金制备技术、性能及表征方法作了系统的阐述。最后对超细晶硬质合金制备技术进行了展望。     

Fabrication of Functionally Gradient Cemented Carbide with Ultrafine Grains

At present, the functionally gradient cemented carbide (FGCC) substrate with enrich cobalt on surface is mainly formed from medium grained WC grains. In order to further improve the properties of gradient cemented carbides, the ultrafine powder was chosen in this study and the functionally gradient cemented carbide with ultrafine grains was prepared by a two-step process, where the cemented carbide is first lower pressure pre-sintered and then subjected to a gradient sintering. The results show that it is possible to form gradient layer with enriched cobalt on surface by this method and also the grain growth can be inhibited by low pressure pre-sintering. Ultrafine grain gradient cemented carbide was fabricated after the gradient sintering, the thickness of gradient layer was about 43μm and the average grain size of WC is about 0.42μm. The formational mechanism of the functionally gradient cemented carbide with ultrafine grains are discussed through analyzing the influence of ultrafine microstructure, which was obtain by lower pressure pre-sintering, on atomic diffusion and grain growth during gradient sintering process.     

Cu部分代Co超细硬质合金研究

基于Cu与Co相同的晶型结构和相似的原子结构,采用共沉淀方法,制备Cu部分代Co的WC—10Co硬质合金,研究Cu对材料的组织和力学性能的影响。实验结果表明,通过Cu—Co共沉淀方式将cu加入粘接相中,形成Co（Cu）固溶体,在液相烧结过程中Cu均匀地分布在Co中,可以降低WC在粘接相中的溶解度,有效阻碍WC颗粒的溶解...