WC-6Co-Cu-Cr3C2亚微米级硬质合金的SPS烧结及其组织性能研究

摘要

硬质合金是一种具有高硬度高强度的材料，传统硬质合金的硬度与韧性是一对此消彼长的矛盾体。众所周知，Co含量的提高在增加合金韧性的同时却降低了硬度。而且，Co属于战略性资源，稀缺并且价格昂贵，故寻找一种用来替代粘结相Co的金属显得尤为重要。金属Cu由于其熔点远低于Co，可以显著降低硬质合金烧结温度，另一方面Cu与WC之间的润湿性较差，可以有效抑制WC在烧结过程中晶粒的长大。
　　本研究以添加少量的Cu作为粘结相来部分替代Co，通过放电等离子热压烧结（SPS）制备性能优异的硬质合金。采用XRD、SEM和EDS等方法研究了不同添加量的Cu对硬质合金烧结温度，致密度和显微组织的影响。通过维氏显微硬度与断裂韧性的测定、摩擦磨损性能以及耐腐蚀性能试验综合评价了试样的性能。相对于传统液相烧结技术来说。SPS烧结是一种快速烧结的工艺，它是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程，通过瞬时产生的放电等离子使被烧结体内部每个颗粒产生均匀的自发发热并使颗粒表面活化，由于升温降温速率快，保温时间短，抑制了颗粒的生长，同时也缩短了制备周期，节约了能源。本试验采用SPS烧结法烧结硬质合金，探讨了SPS烧结温度以及烧结压力对硬质合金性能的影响，同时探索出最佳烧结温度及烧结压力。试验表明，在1250℃的烧结温度和45MPa的压力下，硬质合金可以达到致密，此时相对密度达到99.23%。添加少量的Cu粉可以明显抑制YG6硬质合金在烧结过程中晶粒长大，晶粒度由1.05μm降到0.83μm。从而提升了硬质合金的显微硬度，硬度由原来的1789HV30提升到1933HV30，导致 WC-6Co硬质合金耐磨性的提升。同时，Cu添加进入Co的晶格中，使得Co的晶格发生了晶格畸变。对Co-Cu粘结相有固溶强化的作用，合金断裂韧性得到提高，达到10.5 MPa.m1/2，Cu过量时会降低WC与WC及WC与Co之间的结合强度，使断裂韧性下降。由于Cu粉与WC粉之间的润湿性较差，在烧结过程中Cu无法与WC相之间紧密结合，导致最终制备出的硬质合金其致密度下降。当Cu的添加量为0.9 wt%时，WC-5.1Co-0.9Cu硬质合金性能达到最佳。此外，由于Cu溶于Co相中降低了WC在Co中的溶解度，导致添加Cu的硬质合金耐腐蚀性降低。为了降低 Cu对试样的耐腐蚀性和断裂韧性所产生的不利影响，在合金中添加0.4 wt%Cr3C2，可以在不降低WC-5.1Co-0.9Cu机械性能的基础上改善其耐腐蚀性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 硬质合金的概述

1.2 硬质合金的制备

1.3 其他金属元素取代Co粘结相的意义和研究历程

1.4 研究目的、意义、以及主要的研究内容

第二章 试验材料及研究方法

2.1 试验原料及检测设备

2.2 试验研究路线图

2.3 WC-Co硬质合金的制备

2.4 微观组织的观察与分析

2.5 试样性能测试分析

第三章 Cu对WC-6Co硬质合金组织性能的影响

3.1 SPS烧结工艺的探索

3.2 SPS烧结工艺曲线

3.3微观组织结构观察与分析

3.4 物相测定

3.5 试样性能测试分析

3.6 本章小结

第四章 添加Cr3C2对WC-5.1Co-0.9Cu硬质合金微观结构与性能的影响

4.1 微观组织结构观察与分析

4.2 致密度测量

4.3 硬度与断裂韧性测试

4.4 摩擦磨损性能试验

4.5 耐腐蚀性能分析

4.6 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间研究成果