wc-10co超细晶硬质合金的制备

wc-10co超细晶硬质合金的制备

1硬脆材料特性,传统应用中的“双高合金”和“难点三路桥具有高强度、高硬度、耐高低温、耐腐蚀性等优点，广泛应用于切割加工、岩石开采、生产工具和耐腐蚀性。硬质合金合金自问世以来,其强度和硬度之间就一直是一对“不可调和的矛盾”。制造业的飞速发展,对硬质合金刀具材料提出了越来越高的要求,在要求高强度的同时还要求高硬度,即所谓的“双高合金”。研究表明,当WC的晶粒尺寸减小到亚微米以下时,硬质合金材料的硬度和耐磨性、强度和韧性均获得了提高。因此,超细WC-Co硬质合金开发及应用,成为超硬工具领域竞相研究的热点。2试验内容和方法2.1纳米wc-10c的制备本研究采用崇义章源钨制品有限公司生产的纳米钨粉,在常规碳化设备中进行低温通氢碳化制备纳米WC粉末,再与超细钴粉混合,经压制、脱胶、真空烧结等工艺制备超细晶WC-10Co硬质合金。2.2晶粒尺寸计算及分析采用日本理学D/max2550VB+X射线衍射仪对粉末样品进行物相和晶粒度分析,通过式β=kλ/(Dcosθ)即可求出其平均晶粒尺寸D。式中β为衍射峰半高,k为形状因子,θ为衍射角。采用Nefzsch差热分析仪进行热重和差热分析,用Sirion200场发射扫描电镜对样品进行组织形貌观察分析。采用NOVA-1000型比表面积分析仪测试比表面积,再利用BET-颗粒度换算公式d=6/(ρSBET)计算出粉末粒度d,式中ρ和SBET分别为粉末的密度和比表面积。3试验结果与讨论3.1wc粉末的表征图1a和1b是原料WC粉末扫描电镜和透射电镜照片,可以观察到,采用的WC粉末颗粒为近球形,颗粒尺寸范围在80～120nm之间,但由于粉末颗粒达到纳米级,比表面积很大,故具有很大的表面能和活性,并有一定的团聚现象发生。图2是原料WC粉末的XRD图谱,可以看出,原料为纯相WC。用线宽法测量WC粉末样品各晶面的平均晶粒尺寸为21nm。WC粉末BET的测试结果为3.53mm2,换算成颗粒尺寸约110nm左右,与扫描电镜、透射电镜的分析结果接近。原料钴粉不同放大倍数的电镜照片如图3,可以发现粉末颗粒为近球形,尺寸约0.5μm,也有一定团聚发生。3.2混合料的形貌所研制超细合金配比按YG10进行配制,加入质量分数0.45%的VC作为晶粒长大抑制剂。分别采用行星球磨和滚筒球磨对WC/Co粉末进行混料。图4是两种不同混料方式混合料的XRD图谱,可以看出,其物相并没有明显区别。图5是两种不同混料方式混合料的扫描电镜照片。可以看出,采用行星球磨的混合料分散更均匀,颗粒也更为细小。这使得粉末表面活性变大,可加快合金的烧结过程。粉末表面活性提高的原因包括两个方面:一是由于球磨后大的团聚体解聚,粒子细化后比表面积增大;另外,在球磨过程中WC晶粒不断形成新表面,而表面极化和重排又造成表面晶格的严重畸变,使得WC晶粒表面趋于无定形化,粒子表面活性增高。在随后的压制过程中还发现,采用行星球磨的混合料由于成形剂分散更为均匀,表现出有更好的成形性。综合以上试验结果,行星球磨比滚筒球磨具有更好的混料效果。3.3烧结温度对wc-tg曲线的影响烧结温度是硬质合金制备过程的重要工艺参数,对产品的质量影响很大。烧结温度过低,合金不能收缩致密,残留孔洞较多,合金性能急剧下降;而烧结温度过高,不仅会造成粘结相钴的挥发,而且易造成WC晶粒在烧结过程中的异常长大。所以,选择适当的烧结温度和烧结时间,是制备高性能超细硬质合金的关键。图6为纳米WC粉与纳米钴粉混合料的DSC及TG曲线。从DSC曲线可以发现,在120℃左右和798.83℃出现吸热峰,吸热峰出现的原因可能是低温下气体的膨胀吸热以及粉末颗粒融化吸热。在1250℃左右,DSC曲线上出现一放热峰,这可能是达到了WC和Co的共晶温度,发生合金化反应,释放大量热量。从图中的TG曲线可以看出,在800℃以后,体系的质量损失迅速增加,质量损失的主要原因是Co的挥发。温度越高,体系中Co的挥发就越快,其质量损失越明显。所以在制定烧结工艺时,应该在保证烧结完全的情况下尽量选择较低的烧结温度,并减少高温保温时间,这样可以避免烧结中WC的晶粒粗化,而且可以减少烧结过程中粘结相的挥发。根据DSC及TG试验结果,以及相关文献资料的报道,确定试验的烧结温度为1360℃,烧结时间为30min,而制备常规硬质合金的烧结温度通常都在1400℃以上。3.4平均晶粒尺寸图7是所制备的超细硬质合金的扫描电镜照片,可以发现,合金WC晶粒由原料粉末的近球形转变成较为规则的几何多边形,晶粒尺寸也有所增大,其平均晶粒尺寸约为0.34μm,少量晶粒长大明显,晶粒尺寸达到1μm。对合金进行力学性能测试,其抗弯强度为3100MPa,硬度HV60达1900,断裂韧性10.3MPa·m1/2。4超细金属烧结的烧结温度(1)混合料采用行星球磨混料比滚筒球磨分散更均匀,颗粒更细,成形性也更好。(2)超细硬质合金的