电场诱导W-C-Co低放热体系燃烧合成研究

摘要

硬质合金自问世以来，其强度与硬度之间就存在矛盾。硬度高则强度低、强度高则硬度低，其耐腐蚀性和韧性也有待提高，而常规的硬质合金烧结为高温下的长时间保温过程，不仅效率低，而且造成极大的能源浪费。因此，改进烧结工艺，提高烧结效率，细化晶粒具有十分重大的意义。近年来，关于利用燃烧合成技术制备WC-Co硬质合金的研究较多，但通常都是在较高温度下完成的。而本文在无需外加点火源的情况下，利用电场直接激发W-C-Co体系在较低温度下发生反应，并维持了反应的进行。试验采用Gleeble-1500D热模拟机，数据的采集频率为20Hz，完成燃烧合成实验后，采用X-射线衍射仪(XRD)对终试样做物相分析，用金相显微镜及扫描电子显微镜(SEM)对反应产物进行微观组织结构和形貌分析。 本文主要作了以下研究工作： (1)对电场作用大热流密度条件下W-C-Co体系燃烧合成过程进行了研究，并结合过程解析探讨了电场对较低温度下固相扩散与合成反应的影响。研究发现：在电场和大热流密度的共同作用下，体系实现了较低温度下的固相扩散，点火温度大幅度降低，在本实验条件下，体系在450～750范围内就能实现燃烧合成，属于固相反应；XRD结果显示终试样中没有单质W、C，产物由WC及少量的W2C组成，反应产物粒度约为1～5/um，其颗粒大小各不相同，呈现非均匀结构，WC原子呈多边形。 (2)探讨了电流大小对电场诱导W-C-Co体系燃烧合成的影响，试样所用电流为2.30×104 A～3.00×104 A。结果表明，本实验条件下，电流越大，电场强度则越强，压坯所获得的热流密度也越大，二者共同作用使得体系的点火温度降低，相应地点火延迟时间缩短；实验后对终试样进行XRD、扫描电镜分析，发现随着电流的增大试样中WC的衍射峰值逐渐增强，而W2C的衍射峰值降低，并且电流增大还会促使晶粒的形成和长大；随着电流增加，试样转化率提高。 (3)研究了Co含量6wt.％～18wt.％范围内，不同Co含量对电场诱导W-C-Co体系燃烧合成的影响。实验发现：Co含量对体系点火温度有一定影响，随着Co含量的增加，点火温度降低，点火延迟时间缩短；Co含量对WC晶粒大小没有太大影响；本实验条件下当体系中Co含量为12wt.％时，反应生成WC最多；不同成分试样的最高转化率不同，随着Co含量的增多，试样反应转化率增快，最高转化率增大。 (4)对试样施加O～4MPa的压力，研究压力对体系的燃烧合成影响。研究表明：试样升温速度随压力的增加而增快；随着施加压力的提高，试样点火温度降低，点火延迟时间缩短；XRD结果发现，随着压力增大，终试样中WC及W2C的衍射峰值都有升高，可见反应产物增多，但反应产物粒度有减小趋势。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 WC-Co硬质合金

1.1.1概述

1.1.2 WC-Co硬质合金的研究现状

1.2燃烧合成研究现状

1.2.1燃烧合成的原理及特点

1.2.2燃烧合成研究现状

1.2.3燃烧合成过程研究的主要方法

1.3燃烧合成在制备硬质合金方面的应用

1.4研究方向的提出及研究意义

1.5研究内容、技术路线

第二章试样的制备及成型方法

2.1试样的制备

2.2实验方法

2.3实验仪器

第三章电场诱导W-C-Co体系燃烧合成的过程研究

3.1电场作用下体系的燃烧合成的特征研究

3.1.1体系绝热燃烧温度Tad的计算

3.1.2电场作用下体系的燃烧合成特征

3.1.3电场作用下体系的燃烧合成产物

3.1.4体系燃烧合成产物的热力学分析

3.2电场诱导W-C-Co体系燃烧合成的过程解析

3.3电场在体系燃烧合成过程中的作用分析

3.3.1体系反应能量的获得

3.3.2反应的发生和维持

3.4小结

第四章电流大小对电场诱导W-C-Co体系燃烧合成的影响

4.1实验方法

4.2实验结果及分析

4.2.1电流大小对燃烧合成过程的影响

4.2.2电流大小对燃烧合成产物的影响

4.3转化率的计算

4.3.1体系燃烧合成前能量守恒方程的确立

4.3.2体系燃烧合成后能量守恒方程式的确立

4.4小结

第五章压坯成分对电场诱导W-C-Co体系燃烧合成的影响

5.1实验方法

5.2实验结果及分析

5.2.1压坯成分对燃烧合成过程的影响

5.2.2压坯成分对燃烧合成产物的影响

5.3转化率的计算

5.4小结

第六章压力对电场诱导W-C-Co体系燃烧合成的影响

6.1实验方法

6.2实验结果及分析

6.2.1压力对体系燃烧合成过程的影响

6.2.2压力对燃烧合成产物的影响

6.3小结

第七章结论

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的学术论文

致谢