WC-MgO復(fù)合材料的熱壓燒結(jié)工藝與組織性能研究.pdf

1、硬質(zhì)合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，在切削刀具、石油與礦產(chǎn)勘探、精密模具和耐磨零件等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，因此受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的重視，成為新型工具和結(jié)構(gòu)材料的研究熱點(diǎn)之一。鎢鈷類(WC-Co)硬質(zhì)合金是該領(lǐng)域材料的研究主題，其中金屬鈷(Co)是合金材料韌性的前提，碳化鎢(WC)作為硬質(zhì)相是材料高硬度的保證。但Co是一種昂貴而稀缺的戰(zhàn)略資源，且由于其特殊的物理、化學(xué)性能，在催化劑、電池、電子部件等領(lǐng)域的需求量也

2、在增加。此外，由于Co的低熔點(diǎn)、高溫時(shí)易軟化、高化學(xué)活性等特點(diǎn)使得合金材料的硬度和耐蝕性受到影響。因此，研制兼具高硬度和高韌性、原材料易得的新型復(fù)合材料，成為鎢鈷類合金的理想替代物，具有重要的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)意義。
　　本文中，以氧化鎂(MgO)作為Co的替代材料，采用機(jī)械合金化法制備出具有納米結(jié)構(gòu)的WC-MgO復(fù)合粉末以及運(yùn)用熱壓燒結(jié)工藝獲得WC-MgO塊體復(fù)合材料。研究工作從分析復(fù)合粉末的燒結(jié)致密化過(guò)程開(kāi)始，通過(guò)改善燒結(jié)體的顯微組織

3、結(jié)構(gòu)來(lái)提高其力學(xué)性能，然后再考察該材料的腐蝕、磨損等性能。主要工作包括:研究復(fù)合粉末的燒結(jié)致密化過(guò)程;設(shè)計(jì)針對(duì)納米復(fù)合粉末的熱壓燒結(jié)工藝，系統(tǒng)觀察燒結(jié)過(guò)程中材料顯微結(jié)構(gòu)變化;考察該復(fù)合材料的斷裂韌性;研究燒結(jié)試樣在酸性、堿性環(huán)境中的腐蝕和腐蝕磨損行為;探討燒結(jié)試樣的抗沖蝕磨損規(guī)律;比較添加晶粒長(zhǎng)大抑制劑（碳化釩/碳化鉻）對(duì)燒結(jié)試樣組織和性能的影響等內(nèi)容。主要研究結(jié)果如下:
　　1.對(duì)于具有納米結(jié)構(gòu)的WC-MgO復(fù)合粉末而言，燒結(jié)溫

4、度和時(shí)間對(duì)其成型塊體的致密化程度有著重要影響。研究了該復(fù)合粉體在燒結(jié)過(guò)程中的致密化速率，運(yùn)用主燒結(jié)曲線理論對(duì)該粉體在不同加熱速率下的致密度演化過(guò)程進(jìn)行研究。結(jié)果表明:適合于WC-4.3wt.％MgO納米復(fù)合粉末的燒結(jié)溫度區(qū)間為1500℃-1800℃?；谌跓Y(jié)模型理論，建立了該納米復(fù)合粉體的主燒結(jié)曲線，并估算出該粉體的燒結(jié)激活能為361.8kJ/mol。經(jīng)過(guò)多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該主燒結(jié)曲線的有效性。已建立的主燒結(jié)曲線可以預(yù)測(cè)復(fù)合粉體在不同

5、加熱速率或不同保溫時(shí)間條件下的致密度化速率和最終致密度，并且實(shí)現(xiàn)根據(jù)所需的最終致密度來(lái)制定相應(yīng)的燒結(jié)工藝。
　　2.以同樣的納米復(fù)合粉末為研究對(duì)象，系統(tǒng)地分析不同熱壓燒結(jié)制度對(duì)燒結(jié)體的致密度和晶粒生長(zhǎng)過(guò)程的影響，研究添加碳化釩(VC)和碳化鉻(Cr3C2)對(duì)燒結(jié)體的致密化過(guò)程、晶粒生長(zhǎng)和力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:綜合考量材料在燒結(jié)過(guò)程中的致密化程度與晶粒生長(zhǎng)速率，確定了最佳的燒結(jié)制度為燒結(jié)溫度1650℃、保溫時(shí)間90min、燒

6、結(jié)壓力39.6MPa的真空條件。在此條件下可獲得致密度97.58％TD、維氏硬度15.43GPa、抗彎強(qiáng)度1065.3MPa的塊體燒結(jié)材料。添加一定量的VC/Cr3C2可以減緩燒結(jié)體的致密化速率并有效地抑制晶粒生長(zhǎng)過(guò)程，促使晶粒生長(zhǎng)時(shí)所需激活能從426.85kJ/mol增加至492.53kJ/mol，進(jìn)而細(xì)化基體WC的顯微組織，提高M(jìn)gO顆粒分布的均勻性以及顆粒與基體的結(jié)合性能，以致提高其宏觀力學(xué)性能。
　　3.以在最佳燒結(jié)制度條

7、件下獲得的塊體復(fù)合材料為研究對(duì)象，考察燒結(jié)試樣的斷裂韌性。研究燒結(jié)試樣的斷裂韌性受加載載荷變化的影響，準(zhǔn)確地確定該材料斷裂韌性值并且分析其增韌機(jī)制。研究結(jié)果表明:在研究燒結(jié)試樣的壓痕斷裂韌性時(shí)，得出Niihara力學(xué)模型能夠較準(zhǔn)確的估算此類新材料的壓痕斷裂韌性，對(duì)應(yīng)硬度加載載荷為49N。結(jié)合斷裂力學(xué)模型分析發(fā)現(xiàn)，較小的第二相顆粒粒徑與均勻的第二相顆粒分布狀態(tài)使裂紋在該復(fù)合材料中擴(kuò)展路徑加長(zhǎng)，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的增韌效果。
　　4.

8、采用浸泡腐蝕和電化學(xué)腐蝕方法對(duì)不同成分燒結(jié)試樣在酸性(pH=1)和堿性(pH=13)環(huán)境下的腐蝕行為進(jìn)行研究，探討添加VC/Cr3C2對(duì)WC-MgO復(fù)合材料耐蝕性的影響，考察燒結(jié)試樣在兩種腐蝕環(huán)境下的磨損規(guī)律，研究結(jié)果表明:在酸性溶液中，第二相MgO顆粒優(yōu)先被溶解，而基體WC保持穩(wěn)定，燒結(jié)體呈現(xiàn)出較好的耐蝕性和鈍化趨勢(shì)，鈍化膜是由WO3·H2O和WO3·2H2O組成，添加VC/Cr3C2后材料的耐蝕性得到提高。然而，在堿性溶液中，基體W

9、C受到明顯的腐蝕，基體與第二相界面被破壞，材料無(wú)鈍化現(xiàn)象，力學(xué)性能受嚴(yán)重影響，且添加VC/Cr3C2加速了材料的腐蝕速度。類似于耐蝕性的差異，燒結(jié)試樣在酸性環(huán)境中的耐磨性較高，且組織細(xì)化能夠提高其耐磨性;在堿性環(huán)境中燒結(jié)試樣的磨損量較高，且組織細(xì)化未能顯著的幫助材料減少磨損量。
　　5.以石英砂(SiO2)為沖蝕顆粒，考察不同沖蝕角度下燒結(jié)試樣的沖蝕磨損規(guī)律，建立一種微觀動(dòng)力學(xué)模型以深入研究沖蝕條件和靶材的顯微組織對(duì)磨損機(jī)制的影響

10、。研究結(jié)果表明:WC-MgO復(fù)合材料的沖蝕磨損規(guī)律與陶瓷類材料類似，隨著沖蝕角度的增加，沖蝕磨損量也增加。靶材受顆粒沖蝕時(shí)材料表面發(fā)生沿晶斷裂和穿晶斷裂。添加VC/Cr3C2后，材料在各個(gè)角度的磨損量均有減少，且高角度(90°)沖蝕時(shí)其抗沖蝕能力的提高程度最為明顯。基于牛頓力學(xué)定律和材料自身的性能（楊氏模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度）建立了一種用于模擬WC-MgO復(fù)合材料沖蝕磨損行為的微觀動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸和晶界強(qiáng)度對(duì)抗沖蝕磨

11、損能力有重要影響:只有當(dāng)晶界強(qiáng)度足夠強(qiáng)時(shí)，晶粒細(xì)化才能發(fā)揮其正面有效的作用;當(dāng)晶界強(qiáng)度很弱時(shí)，晶粒細(xì)化反而加速了材料的磨損。
　　本文中，作者以納米WC-MgO復(fù)合粉末及其熱壓成型技術(shù)為研究基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，對(duì)熱壓燒結(jié)成型的復(fù)合材料的物相、顯微組織、力學(xué)性能、腐蝕行為、腐蝕磨損和沖蝕磨損規(guī)律進(jìn)行深入研究，探討晶粒長(zhǎng)大抑制劑(VC/Cr3C2)對(duì)燒結(jié)試樣的組織和性能的影響，為WC-MgO復(fù)合材料的進(jìn)一步研究和推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基