热机械合金化制备碳化钨硬质合金研究

摘要

机械合金化方法可以制备出反应活性较高的超细W-C粉末，在随后的加热反应过程中容易得到细晶的WC硬质合金，从而大大提高其力学性能。本文采用差热分析(DTA)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜观察(SEM)和力学性能测试方法探索了W-C高能球磨过程及其对随后热过程中W-C热反应温度和反应激活能的影响规律，同时对WC-Co硬质合金的热机械合金化工艺、组织、性能及失效机制进行了研究。 研究表明：在高能球磨磨球的作用下，W、C不断撞击、碎化，强制形成具有较高晶格畸变能的W(C)固溶体，在合适的条件下WC形核，并团聚长大。W-C粉末体系经过10h的球磨过程后，W与C的热反应温度从1400℃左右降低至1020℃，反应激活能降低了22.7％左右。 W-C-M体系在气体保护烧结(GPS)和放电等离子烧结(SPS)两种反应条件下的合成机理均为扩散机制，采用GPS工艺很难得到完全合成的WC合金，而采用SPS工艺可得到完全合成的WC合金。 SPS热反应合成的WC-Co硬质合金组织呈长径比约为5：1的短棒状，晶粒长度为2～3μm。延长球磨时间或升高SPS热反应温度均能提高反应物的反应活性，从而促进中间产物向WC转变，并使组织均匀、致密。随着球磨时间的延长或热反应温度的升高，WC-Co合金的密度、硬度、抗弯强度、耐磨性能均逐渐提高。热机械合金化合成的WC-Co硬质合金比传统方法制备的伺类WC合金具有更高的强度，其机理是： 热机械合金化合成的WC合金具有交替排列的短棒状组织，在三点弯曲试验中，微裂纹萌生于WC/WC晶界位置，受到交错排列的短棒状晶粒的阻碍，裂纹扩展以短棒状晶粒的拔出方式进行，极大地消耗了裂纹扩展的能量，从而提高了弯曲强度；合成试样的摩擦磨损过程以犁沟磨损和WC颗粒的剥落为主要特征。热机械合金化制备的WC-Co硬质合金在钻井钻头、刀具领域具有广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1课题的研究背景

1.2反应合成WC硬质合金的成分设计

1.3反应合成WC硬质合金的工艺方法

1.3.1自蔓延高温合成

1.3.2放电等离子烧结合成

1.3.3场激活燃烧合成

1.3.4反应热压合成

1.3.5反应熔炼合成

1.4热机械合金化反应合成技术

1.4.1高能球磨的机械活化作用

1.4.2热过程的反应合成

1.5课题的研究目的、意义和内容

第2章实验内容及方法

2.1实验技术路线

2.2实验原料

2.3样品制备

2.3.1粉末配比

2.3.2高能球磨

2.3.3热过程的反应

2.4组织结构分析

2.4.1热分析

2.4.2物相分析

2.4.3组织、成分分析

2.5性能测试

2.5.1相对密度测试

2.5.2硬度测试

2.5.3三点弯曲试验

2.5.4摩擦磨损试验

第3章超细WC粉末的高能球磨制备

3.1高能球磨过程中元素的扩散

3.1.1晶体缺陷

3.1.2晶粒细化

3.1.3反应球磨机理

3.1.4纳米晶的形成

3.2高能球磨制备WC的合成机理研究

3.2.1物相分析

3.2.2晶粒尺寸估算

3.2.3 W-C体系球磨的合成机理

3.3球磨过程对W-C体系反应的活化作用

3.4本章小结

第4章WC合金的热机械合金化反应机理

4.1 WC合金的热机械合金化制备——GPS热反应合成

4.1.1 GPS热反应产物物相研究

4.1.2 W-C-M体系球磨后的GPS热反应机理研究

4.2 WC合金的热机械合金化制备——SPS热反应合成

4.2.1 SPS热反应产物物相研究

4.2.2物相分析与讨论

4.2.3 SPS热反应机理研究

4.3本章小结

第5章热机械合金化制备WC合金的组织与性能

5.1热机械合金化制备的WC硬质合金的显微组织

5.1.1高能球磨对显微组织的影响

5.1.2热反应温度对显微组织的影响

5.2热机械合金化制备的WC硬质合金的性能

5.2.1致密性

5.2.2硬度

5.2.3抗弯强度

5.2.4耐磨性能

5.3本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文