WC-VC-TiC硬质合金中VC和TiC的固溶效应对组织结构和性能的影响

摘要

硬质合金作为超硬、超耐磨材料在工业生产中有非常广泛的应用。为满足其在极端工况下的服役要求，提高硬质合金的强度、耐磨性、抗热疲劳、抗热震性、耐腐蚀性的是当前研究的热点。在大量优化硬质合金性能的研究中，通过固溶效应来提高其性能受到越来越多的关注，例如(W, Ti)C固溶体可以有效地克服化学腐蚀以及切割过程中的扩散磨损，(W, V)C可以提高硬质合金的硬度和红硬性等，但对VC、TiC同时固溶到WC中来增强硬质合金性能的研究报道并不多。因此，本论文首先先运用第一性原理对(W, V, Ti)C碳化物的固溶相图进行计算，然后对相图中的稳定固溶相的力学性能进行计算。我们筛选出具有优化的力学性能的(W, V, Ti)C碳化物的成分，随后针对计算给出的性能优化区域，在实验上合成相应成分的硬质合金，详细研究其成分、微观结构、力学性能、耐腐蚀性能、摩擦磨损性能并且研究力学性能与抗磨性能之间的关联性。通过上述研究，得出以下结论： （1）第一性原理计算结果表明在富含Ti、V的(W, V, Ti)C碳化物中面心立方结构为稳定相，而在富含W元素的(W, V, Ti)C碳化物中六方密堆结构为稳定相。此外，从计算的力学性能可以看出少量的等摩尔比添加TiC和VC可以增强(W, V, Ti)C碳化物的杨氏模量和剪切模量。 （2）以等摩尔含量比的形式向无粘结相WC基硬质合金中添加1 at.%~5 at.%VC、TiC。VC、TiC与WC形成(W, V, Ti)C固溶体，而非复合物结构。(W, V, Ti)C固溶体的固溶强化效应对无粘结相 WC 基硬质合金力学性能的优化十分显著，尤其是硬度，由964.5 HV10（未添加VC、TiC）上升至2533.4 HV10（5 at.%VC、5 at.%TiC）。随着VC和TiC的含量的不断增加，硬质合金的断裂韧性不断下降，但下降趋势不明显。在室温下，以球盘往复式的对磨方式对硬质合金进行干摩擦测试，发现其摩擦系数和磨损率均随VC和TiC的含量的升高而降低。磨损率由2.56×10-3mm3/Nm（未添加 VC、TiC），下降至 4.6×10-5mm3/Nm（5 at.%VC、5 at.%TiC），下降幅度超过98%。未添加或微量添加VC和TiC的硬质合金磨损机理以犁削、粘着磨损和磨粒磨损为主，高VC和TiC含量的硬质合金磨损机理以晶粒的破碎拔出和表面开裂为主。 （3）以等摩尔含量比的形式在WC-8wt.%Co硬质合金中添加1 at.%~5 at.%的VC和TiC。WC、VC、TiC以固溶体的形式存在于硬质合金中，而非复合物的形式。从微观组织上看，硬质合金的晶粒不断细化，粘结相Co的自由程不断减小。从性能上看，硬质合金的硬度得到提升，由1709.3 HV10（未添加VC、TiC）上升至2211 HV10（4 at.%VC、4 at.%TiC），提升约29.4%。但随着VC和TiC的含量的增加，断裂韧性呈下降趋势。在室温下，以球盘往复式的对磨方式对硬质合金进行干摩擦测试，发现其摩擦系数与 VC、TiC 含量没有太大的相关性，但其磨损率随 VC、TiC 含量的增加而减小，磨损率由 9.91×10-5mm3/Nm（未添加VC、TiC），下降至1.29×10-5mm3/Nm（4 at.%VC、4 at.%TiC），下降幅度约87%。未添加或微量添加VC和TiC的硬质合金磨损机理以犁削、Co相的挤出和涂抹以及磨粒磨损为主，高VC和TiC含量的硬质合金磨损机理以碳化物晶粒的破碎拔出和表面开裂为主。此外，VC、TiC使得WC-Co硬质合金的耐腐蚀性能得到优化，其耐腐蚀性能随VC、TiC含量的增加而不断增强。

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