粗WC颗粒对低钴硬质合金组织与性能的影响

以粒度为5μm的粗WC颗粒和粒度为1μm的细WC颗粒为原料,采用6种不同的粗/细颗粒质量配比,通过低压烧结制备Co含量(质量分数,下同)为7%的低钴WC–Co硬质合金,测试材料的抗弯强度、断裂韧性和硬度,并采用扫描电镜(SEM)观察材料的微观组织、弯曲断口形貌及裂纹扩展情况,研究粗颗粒WC含量对低钴硬质合金组织与性能的影响。结果表明,随粗颗粒WC含量增加,WC晶粒度的分布表现为明显的双峰结构特征,从合金的弯曲断口观察到裂纹偏转以及穿晶断裂数量显著增加,以此阻碍裂纹扩展,从而提高合金的韧性。合金硬度随粗颗粒WC含量增加而下降。当粗颗粒含量(质量分数)为50%时,WC-7%Co硬质合金具有较好的综合力学性能,其硬度(HV30)为15.9 GPa,抗弯强度和断裂韧性分别为2 490 MPa和11.39 MPa·m1/2。     

放电等离子烧结不同粒径匹配的WC-Co混合粉末

采用一种包括混合粉末真空预处理和放电等离子烧结(SPS)的新型烧结技术,制备超细晶WC-10Co硬质合金块体。采用场发射扫描电镜观察硬质合金的形貌和晶粒组织,采用三点弯曲法测量试样的断裂强度,利用显微硬度仪测量维氏硬度HV30且据此估算试样的断裂韧性KIC,并与真空烧结和直接SPS试样进行对比,同时还研究初始粉末中WC粉与Co粉的粒径匹配对SPS块体的显微组织和力学性能的影响。结果表明,与真空烧结和直接SPS相比,此种方法制备的WC-10Co合金晶粒细小、组织均匀,具有优异的综合力学性能,尤其是强度明显提高,硬度为1608HV30,断裂韧性为14.0MPa.m1/2,横向断裂强度为3100MPa;WC和Co粉末的粒径匹配对SPS块体的显微组织和力学性能具有较显著的影响。     

高性能非均匀结构硬质合金的制备及其形成机理研究

硬质合金作为脆性材料存在韧性与硬度的固有矛盾,生产出硬度和韧性匹配良好的硬质合金,提高硬质合金的性能是当前研究热点之一。研究采用超粗、中、纳米3种不同的WC颗粒粉末,通过适当的球磨工艺及烧结工艺,制备出晶粒呈双尺度的非均匀硬质合金。研究了烧结温度对合金性能的影响,合金制备过程的组织形成机理,合金裂纹扩展的特点及断口形貌特征。结果表明:超粗、中、纳米WC颗粒粉末按照一定的质量比例配比,烧结温度为1 450℃时,制备出的非均匀硬质合金细晶粒均匀地分布于粗晶粒周围,其硬度为1 080 HV30,抗弯强度为2 690 MPa,断裂韧性为25.0 MPa·m1/2,制备的硬质合金材料的综合性能达到最优的平衡。     

超粗晶WC-Co硬质合金的制备方法与机理及性能研究

采用加入球磨活化的细WC粉的方法,成功制备了WC截线晶粒度大于6.5μm的超粗晶硬质合金。对制备机理进行了分析,并对所制备超粗晶硬质合金的金相、热导率、断裂韧性和抗氧化性等进行测定。结果表明:活化细粉在固相烧结阶段全部消失,可以增加烧结活性并抑制超粗晶粒溶解、粒径减小;超粗晶硬质合金WC晶粒度分布窄,晶界平直;热导率和断裂韧性是同样钴含量为0.8μm WC-Co硬质合金的两倍以上,具有优良断裂韧性是由于其可以发生塑性变形;在超粗晶硬质合金中添加镍并不能显著提高抗氧化性。     

热处理对粗晶WC-Co硬质合金力学性能的影响

以WC-8.4Co粗晶硬质合金为研究对象,通过纳米压痕、大载荷维氏硬度测试等分析手段,研究了粗晶硬质合金在热处理过程中粘结相力学性能及合金整体力学性能的变化.结果表明,热处理对粗晶WC-Co硬质合金可通过提高硬质合金粘结相的硬度而使整体硬度得到一定改善,且合金的Palmqvist断裂韧性在热处理之后也有较为明显的改善.     

Cr3C2含量对热压烧结WC基硬质合金材料微观组织和力学性能的影响

为了研制高强度高硬度的硬质合金刀具材料,本文采用真空热压烧结技术制备Cr₃C₂含量不同的WC基硬质合金。通过XRD、SEM、EDS等分析手段研究其物相组成及微观形貌,探究Cr₃C₂含量对WC基硬质合金力学性能和微观组织的影响规律。结果表明：在WC-Co硬质合金中添加适量Cr₃C₂可有效抑制WC晶粒异常长大,提高晶粒均匀度,减少微观组织缺陷,进而改善其综合力学性能。随Cr₃C₂含量增加,合金的硬度和抗弯强度先升高后降低,断裂韧性先降低后升高。当Cr₃C₂的质量分数为0.4%时,WC基硬质合金综合力学性能最佳,硬度(HV)达到20.97 GPa,抗弯强度为1 584 MPa,断裂韧性为10.92 MPa·m^1/2,其中硬度大幅提高对于硬质合金材料用作切削刀具具有重要意义。     

烧结方法对WC-Co硬质合金性能的影响

以原位还原碳化反应法制备的超细WC-Co复合粉为原料,分别采用放电等离子烧结、低压烧结和真空烧结工艺获得块体硬质合金,系统研究烧结方法对合金的显微组织、密度及力学性能的影响。结果表明:放电等离子烧结的合金中,主相为WC和Co,有少量η相(Co6W6C),低压烧结和真空烧结获得的合金中物相为WC和Co;所用3种不同的烧结方法均能获得细晶块体硬质合金,其中放电等离子烧结的晶粒最细为0.35μm;低压烧结合金具有优异的综合性能,HV30为15 121 MPa,断裂韧性为13.6 MPa.m1/2,横向断裂强度为4 210 MPa。     

稀土Y,Ce及其添加方式对硬质合金显微结构与性能的影响

采用在还原碳化法制备WC粉末前添加稀土氧化物Y2O3或CeO2,以及在WC与Co粉末混合球磨时加入该稀土氧化物两种不同的方式,在WC-10Co硬质合金中添加稀土元素,利用金相显微镜和扫描电镜观察稀土硬质合金的组织形貌与显微结构,采用X射线衍射仪(XRD)和电子探针对合金的相成分与微区成分进行分析,并测试合金的硬度、断裂韧性与磁性能,研究稀土及其添加方式对硬质合金结构与性能的影响。结果表明,无论以何种方式添加Y2O3或CeO2,最终制备的硬质合金中稀土元素都与氧共存,并以球形颗粒的形式弥散分布于硬质合金的钴粘结相中。稀土硬质合金中WC晶粒球化趋势明显,WC/WC的邻接度由0.6降低至0.39,断裂韧性由12.8 MPa?m1/2提高至16.7 MPa?m1/2。球形、弥散分布的稀土氧化物颗粒会破坏合金结构的连续性,导致合金强度降低。     

烧结工艺对低Co超细晶硬质合金性能的影响

低Co超细晶硬质合金具有比常规的超细晶硬质合金更高的硬度、耐磨性、红硬性,在精密机械、加工刀具、特种耐磨材料及零件、拉拔模具等领域有其独特的优势和广泛的应用。本文以超细WC粉和球形Co粉为原料,采用真空烧结或低压烧结制备低Co超细晶硬质合金。采用低压烧结技术可成功制备出硬度为2110 HV30,矫顽力为55.7 kA/m,抗弯强度为2 250 MPa的低Co超细晶硬质合金。采用SEM、金相显微镜、维氏硬度计、矫顽磁力仪、材料实验机等研究烧结工艺对合金显微组织和物理机械性能的影响。结果表明:提高烧结温度或采用低压烧结,可以使低Co超细晶硬质合金中的孔隙度减少,强度提高。低压烧结制备的合金晶粒度大于真空烧结制备的合金晶粒度,但是采用真空烧结制备的合金中易出现WC晶粒异常长大现象。     

WC-Co硬质合金组织结构对断裂韧性和断裂影响的研究

本文研究了钴含量7～30％(体积)、WC晶粒度0.5～3.5μm范围内常规WC-Co硬质合金组织结构对断裂韧性和断裂的影响。采用缺口和裂纹两种试样测定合金的断裂韧性;用体视金相学方法铡定合金的显微组织结构参数,并统计了断裂模式的分布。结果表明:合金的断裂韧性主要取决于钴的含量、分布及钴相平均自由程。根据断裂过程分析,导出裂纹扩展能量释放率与组织结构间的关系式为:G_(IC)=(0.417～0.457)σ_sλ。该类合金脆断的主要微观原因是WC/WC型晶间开裂和WC晶粒穿晶断裂。断口表面,WC/WC型晶间开裂分数与组织结构间的关系为:(F)_(WC/WC)=γ(1-V_(Co))~2/D_(WC)。试验表明,合金的断裂韧性采用缺口试样进行测定是可行的,缺口和裂纹两种试样能量释放率间的关系为:G_(IC(ρ))=G_(IC) 2.1ρ。     

放电等离子烧结制备无粘结相SiCw/WC硬质合金

以碳化硅晶须(SiC whiskers,SiC_w)作为增韧相,通过放电等离子烧结制备了无粘结相SiC_w/WC硬质合金。考察了放电等离子烧结温度及SiC_w添加量对SiC_w/WC硬质合金组织性能的影响。结果表明,采用放电等离子烧结在1800℃下可获得相对密度高于99%的WC烧结体,其维氏硬度和断裂韧性分别达到25.99 GPa和4.99 MPa·m^1/2。添加适量的SiC_w可以改善SiC_w/WC烧结性能和断裂韧性,在SiC_w的质量分数为0.6%时,断裂韧性达到6.80 MPa·m^1/2,当添加过量的SiC_w时,增韧效果减弱。     

粗细WC晶粒配比对双晶结构硬质合金力学性能与组织结构的影响

采用粗细WC颗粒不同比例搭配的方法制取WC-8%Co双晶结构硬质合金,并通过对合金金相组织的观察以及硬度(HRA)、矫顽磁力(Hc)、抗弯强度(TRS)和断裂韧性(KIC)等物理、力学性能的检测对比,研究其力学性能与组织结构。结果表明,粗细WC颗粒配比和WC晶粒大小是改善非均匀结构合金力学性能与组织结构的重要因素,通过优化配比按21%～24%添加粗颗粒WC可制备出力学性能良好的双晶结构硬质合金。随着合金中粗晶粒WC比例的增大,合金的HRA、H_c略微降低,K_(IC)从14MPa·m~(1/2)提高到19.7MPa·m~(1/2),TRS则呈先增后降的趋势,最大值3 498MPa。     

Cr3C2和VC复合抑制剂对超细WC-9%Co硬质合金制备及性能的影响

针对超细晶WC-Co硬质合金的制备,WC晶粒生长抑制剂的运用尤为重要。本研究采用粉末冶金方法制备了超细WC-9%Co硬质合金,研究了Cr₃C₂和VC复合抑制剂对超细WC-9%Co硬质合金制备、微结构及性能的影响。结果表明：随着复合抑制剂中VC的增加,即Cr₃C₂的减少,合金的晶粒尺寸、断裂韧性逐渐降低,矫顽磁力、钴磁逐渐升高,横向断裂强度则先增高后降低;同时,随着VC配比的增加到一定程度合金逐渐出现VC偏析现象。综合来看,WC-9%Co-0.5%Cr₃C₂-0.5%VC超细硬质合金表现出较优的综合物理性能(矫顽磁力38.9 kA/m、钴磁7.82%、密度14.44 cm³/g)、力学性能(洛氏硬度94.0 HRA、维氏硬度2 010 HV30、横向断裂强度4 691 MPa)。     

超细晶硬质合金的制备

以纳米WC粉末与超细钴粉为原料,采用行星球磨混料→压制成形→氢气脱胶→真空烧结工艺制备了WC-10Co超细晶硬质合金.研究表明,采用行星球磨混料获得的混合料分散均匀,颗粒细小且成形性好.采用该混合料在1 360℃下真空烧结制备的超细硬质合金其平均晶粒尺寸约0.34μm,抗弯强度3 100 MPa,硬度HV60为1 900,断裂韧性10.3 MPa·m1/2     

添加剂对双晶结构硬质合金微观组织和性能的影响

以粗细两种粒度WC粉、Co粉为原料,分别选取Mo、Cu、VC、Cr_3C_2、Y_2O_3为添加剂,采用粉末冶金法制备了具有不同WC晶粒度分布、不同添加剂的硬质合金,并使用XRD、SEM、排水法和维氏硬度计分别分析合金的物相组成、显微组织、密度和力学性能。结果表明:所制备合金物相组成几乎一样,均显示出较明显的WC峰;随着粗晶WC与细晶WC粉末质量比的降低,合金中异常长大的WC晶粒减少、硬度持续增大但韧性下降。添加剂能够有效抑制WC晶粒的长大,提高合金硬度,但合金的相对密度随着添加剂含量的增大而减小。添加1%Cr_3C_2制备的双晶结构硬质合金的综合性能最好。     

粉末粒度对超粗晶硬质合金性能影响的研究

超粗晶结构硬质合金拥有良好的耐磨性、韧性和抗热冲击、抗热疲劳性能,广泛应用于石油钻齿、凿岩钎具、截煤机齿、路面冷铣刨机齿、盾构刀具等地矿工具。文章对比研究了预磨细颗粒WC活化粉和纳米WC活化粉的添加对低压烧结制备的超粗晶硬质合金结构与性能的影响,采用金相显微镜和电子万能试验机等检测方法对其进行组织结构及力学性能的表征,使用扫描电镜对试样条断口进行形貌分析。研究了球磨时间、预磨粉末粒度对超粗晶硬质合金晶粒度、抗弯强度等性能的影响。试验结果表明,相比添加细颗粒WC粉,添加纳米WC粉制备的超粗晶硬质合金的平均晶粒度增加更为明显。随球磨时间增加,合金组织均匀性提高,抗弯强度升高。添加5%(质量分数,下同)预磨纳米WC,球磨18 h制备的超粗晶硬质合金晶粒度达6.8μm,抗弯强度2 640 MPa,具有最佳综合力学性能。     

制粉工艺对超细硬质合金力学性能的影响

系统研究了机械球磨、分散剂分散和超声震荡三种原始粉末混合方法对WC基硬质合金烧结试样力学性能的影响。结果表明,PEG分散法制备的硬质合金致密度最低,超声震荡法制备的合金致密度最高且力学性能最好:致密度97.8%、维氏硬度21.47 GPa、断裂韧性11.2 MPa·m~(1/2)、抗弯强度1 123.6 MPa、晶粒尺寸258 nm。     

碳含量对WC-9Ni-1Cr细晶硬质合金组织结构及性能的影响

通过添加W粉或C粉调整WC原料粉末的总碳含量(质量分数)为6.04%~6.16%,采用低压烧结法制备WC-9Ni-1Cr细晶硬质合金。采用光学金相显微镜、X射线衍射、扫描电镜等,研究碳含量对WC-9Ni-1Cr细晶硬质合金组织结构及性能的影响。结果表明:在WC-Ni系合金中添加适量的Cr元素,得到无磁WC-Ni硬质合金,并且其无磁特性不随合金中碳含量的变化而发生转变。WC粉末的总碳含量为6.04%~6.16%时WC-9Ni-1Cr细晶硬质合金为二相区的正常组织,只存在WC相和Ni相,没有石墨夹杂或η相;而且在此二相区范围内WC的碳含量变化对WC-9Ni-1Cr细晶硬质合金的耐腐蚀性没有明显影响。随WC粉末的碳含量增加,合金硬度(HRA)与密度都逐渐降低,但降低幅度较小,而合金的抗弯强度逐渐提高。碳含量由6.04%增加至6.16%时,抗弯强度由2 250 MPa提高到2 850 MPa,提高26.6%。     

石墨烯增强WC-Co硬质合金的制备和力学性能研究

采用机械搅拌和静电吸附工艺制备了氧化石墨烯/WC-Co复合粉体,并对复合粉体的微观形貌进行了表征。利用放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)技术制备了石墨烯/WCCo硬质合金,对复合材料的力学性能进行了测试分析。机械搅拌制备的氧化石墨烯/WC-Co复合粉体经过SPS烧结后得到的硬质合金横向断裂强度和维氏硬度为1 850 MPa,1 830,与不添加石墨烯的WC-Co硬质合金相比分别提高了3.9%,5.8%。静电吸附制备的氧化石墨烯/WC-Co复合粉体经过SPS烧结后得到的硬质合金横向断裂强度和维氏硬度为1 980 MPa,1 850,与不添加石墨烯的WC-Co硬质合金相比分别提高了11.2%,6.9%。     

低压烧结制备石墨烯增强WC-Co硬质合金

采用机械搅拌和静电吸附2种工艺制备氧化石墨烯增强WC-Co复合粉末,对复合粉末的微观形貌进行表征,并利用低压烧结工艺制备石墨烯增强WC-Co硬质合金,对硬质合金力学性能进行测试分析。静电吸附工艺和低压烧结相结合所制备的石墨烯增强WC-Co硬质合金抗弯强度和维氏硬度分别为3 250 MPa和1 846,比不添加石墨烯的WC-Co硬质合金抗弯强度和硬度分别提高了38.92%和7.93%;比机械搅拌工艺和低压烧结相结合所制备的石墨烯增强WC-Co硬质合金抗弯强度提高了8.33%,硬度略有提高。石墨烯通过静电吸附工艺均匀地分散在WC-Co基体中,高温烧结时通过阻碍晶界的扩散和位错的滑移来细化晶粒,有裂纹产生时会阻碍裂纹扩展,从而增强材料力学性能。