微波烧结制备WC钢结硬质合金的组织及性能研究

【摘要】：钢结硬质合金是介于硬质合金与合金钢之间的一种新型材料，继承了硬质合金和钢各自的优点，兼有硬质合金的高硬度、高强度和高耐磨性，同时具有钢的可加工性、可热处理性和可焊接性，填补了两者之间的空白，广泛应用于刀具、模具、耐磨零件等领域。本文利用微波烧结法制备WC钢结硬质合金，系统研究了微波烧结工艺、热处理工艺、WC含量和Y2O3稀土对钢结硬质合金组织及性能影响，并初步探讨了微波烧结机理以及稀土改性作用机理。 研究结果表明，在一定的烧结升温速率（15~35℃/min）和保温时间（20min）条件下，随着烧结温度的升高，硬质合金相对密度、显微硬度和抗弯强度均先升高后下降，在1280℃时达到最高值，分别为97.29%、544HV和847.37MPa。微波烧结过程中WC和Fe发生相变，产生新的增强相Fe_2W_2C，弥散分布于钢基体中，起到弥散强化作用。WC钢结硬质合金烧结态的显微组织是珠光体+硬质相，热处理后（900℃淬火+200℃回火）可获得回火马氏体+残余奥氏体+硬质相组织，综合力学性能获得进一步提升，即维氏硬度和抗弯强度高达1024HV和1267.60MPa，较烧结态分别提高近90%和50%。同时，热处理态的磨损性能较烧结态也有较大提高，体积磨损量减少了近70%。WC钢结硬质合金热处理前后的磨损机理均以磨料磨损和粘着磨损为主。 不同WC含量的钢结硬质合金烧结过程中生成了Fe7W6、Fe_2W_2C和Fe_6W_6C等新相。随着WC含量的升高，钢结硬质合金相对密度、显微硬度和抗弯强度均升高，合金断裂形式由韧性断裂逐步过渡到介于韧性断裂和脆性断裂之间，最后转变为脆性断裂。钢结硬质合金磨损率随着WC含量的升高程现减小趋势。不同WC含量的钢结硬质合金热处理后力学性能均比热处理前有明显提高。 微波烧结制备WC钢结硬质合金时，添加适量的稀土Y_2O_3可净化Fe_2W_2C/Fe界面并改善其浸润性，促进微波烧结材料的致密化程度，提高增强相与基体界面结合性。同时，稀土Y_2O_3还可以改善增强相颗粒分散均匀性。随着Y_2O_3含量的升高，钢结硬质合金相对密度、显微硬度和抗弯强度均呈现先升高后下降，Y_2O_3含量为0.5%时，达到最大值，而且添加纳米Y_2O_3比添加微米Y_2O_3效果更佳。