亚微米硬质合金制备过程中碳含量的控制研究

摘要

该研究采用甲烷和氢气的混合气体(CH<,4>/H<,2>)作为烧结气氛,从热力学上估算了关键技术参数:温度、气体压力和甲烷的临界体积分数,并在此基础上进行工艺试验.结果表明,在WC总碳相同、气氛压力一定时,甲烷浓度越大,烧结后样品的碳含量越高,甲烷浓度较高时甚至可产生石墨相;样品的厚度和补碳的时间对烧结后的碳含量也有较大影响.由于气氛的干扰,气氛烧结条件下影响合金碳含量的因素比常规真空烧结更多更复杂,因此该研究采用正交试验方法,研究了补碳时间、甲烷浓度、补碳温度、WC总碳、烧结温度、混合气流量等六个因素,对烧结后的样品的钴磁、抗弯强度、矫顽磁力、硬度、密度的影响.研究结果表明:甲烷浓度在一定范围内变动时,可使材料的碳含量在两相区范围内进行调整,可提高了材料的强度;为了使样品与气氛的碳交换达到平衡,至少需要2.5~3.5小时,达到平衡以后再增加补碳时间对提高材料的抗弯强度没有明显影响;在所有的影响因素中,WC总碳和烧结温度是影响合金性能的最重要因素.工艺参数对材料微观组织影响的研究表明:一定的甲烷浓度对应着一个WC总碳值,当样品的实际WC总碳高于此值时样品产生脱碳反应,低于此值时产生增碳反应,且WC总碳越低,增碳趋势越明显.此外,通入气氛时间越长、甲烷浓度越大、WC总碳越低,烧结后样品晶粒长大就越明显.特别是对于超细低钴硬质合金,WC晶粒将通过烧结颈产生异常长大.基于烧结过程中碳扩散、烧结驱动力、烧结活化等动力学原理,该文对上述实验结果给出了合理的理论解释.通过上述研究,提出了烧结过程的优化工艺参数,明显提高了WC-10﹪Co材料的性能,抗弯强度平均可达3368MPa(最高可达3708MPa)、硬度可达92.8~93.4HRA、密度14.21~14.32 g.cm<'-3>,从而为该工艺的工业应用奠定了基础.

目录

文摘

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序言

符号清单

第一章文献综述

1.1WC基硬质合金的发展过程及趋势

1.2亚微米硬质合金的研发和应用状况

1.3亚微米硬质合金的制备工艺过程

1.3.1亚微米、纳米级粉末原料的制备

1.3.2添加晶粒长大抑制剂的研究

1.3.3硬质合金的成形技术

1.3.4硬质合金的烧结过程

1.4硬质合金最新研制动态

1.4.1控碳问题的探讨

1.4.2控制气氛烧结法制备梯度硬质合金

1.4.3硬质合金最新烧结技术

1.4.4未来硬质合金发展新动向

1.5本研究的目的和主要研究途径

1.5.1研究目标

1.5.2研究的主要方法和途径

1.5.3本研究的意义

第二章热力学分析和工艺初探

2.1引言

2.2原材料的选用

2.3关于碳含量检测

2.4热力学上可行性分析

2.5工艺上的可行性分析

2.5.1制样和烧结

2.5.2试验结果及讨论

2.6小结

第三章烧结工艺参数的优化

3.1前言

3.2试验方案设计

3.3试验结果与分析

3.4重点工艺参数再优化

3.5最优化试验方案

3.6小结

第四章含量与微结构、性能关系的研究

4.1前言

4.2气氛浓度对合金碳含量的调节

4.3气氛压力对合金性能的影响

4.4组织与性能的分析

4.4.1机械物理性能分析

4.4.2显微结构分析

4.5小结

第五章结论

参考文献

致谢