强流脉冲电子束WC-Co硬质合金表面改性组织及性能研究

摘要

现代机加行业对WC-Co硬质合金刀具的加工效率、使用寿命和维护成本等方面提出更高要求，研究和开发硬质合金刀具表面改性新工艺具有重要的实用价值。作为近年来新兴的表面改性技术，强流脉冲电子束通过微秒级脉冲能量沉积，引发工件表层快速熔凝和应力冲击作用，可制备组织致密、成分均匀，厚度达几个微米的改性层，进而提高材料表面使役性能。本论文采用工业常用的YG6和YG8硬质合金为实验材料，系统研究硬质合金表面改性组织和性能变化规律，探索强流脉冲电子束硬质合金表面改性机理和有效工艺方法，得到主要研究结果如下:
　　对YG6硬质合金进行强流脉冲电子束表面改性实验，选择加速电压27kV，脉冲次数1、5、10、20、35次。发现随脉冲次数增加，试样表面形成厚度～0.8μm的重熔层，晶粒显著细化，20次脉冲处理样品表面晶粒平均尺寸～0.1μm。改性样品表面均有熔坑和微裂纹产生，当脉冲次数达到20次时，微裂纹有明显愈合，表面仅存少量熔坑，尺寸减小至～1.1μm。
　　对YG8硬质合金进行强流脉冲电子束表面改性实验，选择加速电压23.4和27 kV，脉冲次数1、3、5、10、15、25、50次。发现对于同一加速电压，随着脉冲次数增加，试样表面熔化程度增加，WC晶粒变得圆滑，形成了～1μm的重熔层。熔坑平均尺寸由最大值3.16μm逐渐减小至0.63μm。改性表面会产生微裂纹，当脉冲次数达到50次时，微裂纹连接成网状。对比不同加速电压，使用27 kV时所形成的熔坑面密度更低。根据改性表面的结构完整性来说，较好的工艺参数为加速电压27kV，25次脉冲。
　　通过微结构表征，发现硬质合金表面改性层均形成面心立方WC1-x相、Co3W9C4相和石墨相。进一步的TEM、EBSD等分析表明，YG6试样表层的WC1-x相尺寸在20-100 nm之间，Co3W9C4相尺寸为十几纳米，石墨颗粒相尺寸小于100 nm，改性表层形成了纳米复合组织。经20次脉冲处理，纳米相分布相对更为均匀，所占面积分数达到39％。YG硬质合金经强流脉冲电子束改性的组织演变机制是形成fcc组织+M12C化合物+石墨相这样一种亚稳平衡体系。
　　对YG6硬质合金强流脉冲电子束改性试样进行表面性能测试，发现随着脉冲次数增加，表面显微硬度呈现先升高后下降的现象，最大值较原始试样提高了约36％。相应地，磨痕深度与磨损率均呈现先下降后升高的的趋势，其中27kV和20次脉冲处理试样达到最佳状态，其磨痕深度较基体降低约82％，磨损率降至12.3mm3min-1,仅为原始试样的35％。耐蚀性实验结果表明，经强流脉冲电子束改性试样的自腐蚀电流密度均低于原始材料（约为6.415×105 A/cm2），最低值达到1.495×10-5 A/cm2,耐蚀性能得到改善。
　　与此类似，随着强流脉冲电子束脉冲次数增加，YG8试样表面显微硬度也呈现先升高后下降的现象，其中提高最明显的是27 kV和25次处理试样，表面显微硬度约为2262HK，对应的磨损率降至14.7 mm3min-1,约为原始试样的38％。
　　上述研究结果表明，强流脉冲电子束处理可使硬质合金表层转变为纳米复合组织，并首次发现纳米石墨原位析出现象，硬质合金的表面显微硬度和耐磨性能可以得到大幅度的提高。此外，尚有一些问题需要在今后继续开展研究，如Co粘结相含量对改性组织转变规律的影响，纳米石墨相析出规律及其对表面耐磨性能的动态影响机制，从工艺和材料角度消除微裂纹的产生等。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 电子束表面改性技术

1．1．1 电子束加工技术概述

1．1．2 电子束在表面改性处理中的应用

1．1．3 电子束表面改性技术的特点

1．1．4 电子束表面改性技术的分类

1．1．5 强流脉冲电子束材料表面改性的物理基础

1．1．6 强流脉冲电子束在表面改性处理中的应用及研究现状

1．2 硬质合金简介

1．2．1 硬质合金的概念和分类

1．2．2 硬质合金刀具的发展及使用简况

1．2．3 硬质合金的性能特点

1．3 硬质合金表面改性技术研究进展

1．3．1 硬质合金涂层技术

1．3．2 复合表面改性技术

1．3．3 载能束表面改性

1．4 选题依据及主要研究内容

2 强流脉冲电子束实验设备

2．1 实验设备

2．2 工作原理

2．2．1 电子束工作原理

2．2．2 设备工作过程

2．2．3 工艺参数

2．3 本章小结

3 强流脉冲电子束YG6硬质合金表面改性

3．1 实验方法

3．2 表面及截面形貌

3．2．1 表面形貌

3．2．2 截面形貌

3．2．3 重熔层结构特征及形成过程

3．2．4 辐照处理YG6试样的表面缺陷

3．3 YG6试样表层相结构

3．4 YG6试样表面微观组织结构

3．5 讨论

3．5．1 纳米碳粒子析出行为研究

3．5．2 纳米亚稳相析出

3．5．3 辐照处理YG6试样改性表面的演变机制

3．6 YG6合金HCPEB表面改性温度场模拟

3．7 表面粗糙度

3．8 显微硬度及耐磨性能

3．8．1 表面及截面显微硬度

3．8．2 表面耐磨性能

3．8．3 强流脉冲电子束辐照处理YG6硬质合金的磨损机制

3．8．4 强流脉冲电子束对YG6硬质合金表面硬度及耐磨性能的影响

3．9 耐蚀性能

3．10 本章小结

4 强流脉冲电子束Y68硬质合金表面改性

4．1 实验方法

4．2 表面及截面形貌

4．3 改性处理试样表层物相

4．4 强流脉冲电子束对YG8硬质合金表面元素分布的影响

4．5 强流脉冲电子束处理对显微硬度及耐磨’I生能的影响

4．5．1 表面显微硬度

4．5．2 截面显微硬度

4．5．3 微动磨损

4．5．4 宏观磨损性靛

4．6 本童小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介