微波烧结WC-10Co硬质合金的结构与性能研究

【摘要】： 高硬度、高韧性的超细WC-Co硬质合金是现代制造业重要的加工刀具和模具材料。目前纳米WC-Co硬质合金粉体的制备方法已经比较成熟,但是纳米粉在烧结过程中极易发生晶粒长大,如何在烧结过程中有效地抑制晶粒长大,成为制备超细WC-Co硬质合金的一个关键问题。微波烧结是近年来发展起来的一种新型烧结技术,与常规烧结相比具有许多优点,如烧结温度低、加热速度快、体积性加热等,因而可以获得组织更加均匀和细小的细晶粒陶瓷。 本论文首先采用正交试验法优化了高能球磨制备纳米WC-10Co复合粉末的工艺参数,然后详细研究了WC-Co复合粉末的微波烧结工艺、VC/Cr_3C_2含量对WC-10Co硬质合金微波烧结性能的影响、Co含量对WC-Co硬质合金微波烧结性能的影响、WC-10Co硬质合金的化学活化烧结、微波电磁场中的微波电场、磁场及混合场分别与WC-10Co硬质合金相互作用,最后分析了无机材料的微波合成机制。 实验结果表明,在影响球磨效率的各个因素中,球磨时间是影响实验结果的关键因素,其次是球料比和乙醇用量,而磨球直径只是次要因素。之后通过正交实验及SEM形貌观察结果选取了优化的球磨工艺。 对WC-10Co硬质合金的微波烧结工艺的研究发现,微波烧结温度和微波脱蜡时间对合金性能的影响非常显著,而保温时间和升温速率对合金性能的影响则相对较小。在脱蜡温度610℃左右,脱蜡时间20min,烧结温度1320℃,保温时间15min的工艺条件下得到的WC-10Co硬质合金样品具有良好的综合性能,合金的晶粒细小、均匀。合金的物相分析发现,微波烧结的合金具有正常组织,仅含WC相和γ相,没有其它新相生成。 当复合抑制剂VC/Cr_3C_2的加入总量为0.6wt%时,硬质合金合金中WC的晶粒细小、均匀,抑晶效果最佳,硬质合金性能达到最优。WC-Co硬质合金具有良好的微波适应性,但是Co含量对WC-Co硬质合金的致密化过程及其微波烧结温度会产生影响。 添加Ni、P元素可以使WC-10Co硬质合金在较低的温度下就出现液相,加快合金的致密化进程,有效地降低合金的烧结温度。添加0.3wt%红P的合金可以在1250℃下就完全致密,而同时添加0.3wt%红P和0.3wt%Ni的合金只需1200℃。其中配合0.4wt%VC和0.2wt%Cr_3C_2一起使用可以改善合金性能,但是由于Ni、P元素容易在晶界、相界发生偏析,损害合金的性能,因此Ni、P元素的添加量不宜过多。 微波烧结WC-10Co过程中,在低温区起作用的损耗方式主要是极化豫驰损耗,其中磁损耗占主导地位,而在高温区磁损耗对能量的贡献很微弱,合金对微波能的吸收主要是以介电损耗和电导损耗的形式为主。因此,合金可以在纯电场以及有磁场和电场同时作用的混合场中完成整个烧结过程,但是混合场下烧结的合金样品出现了少量脱碳相W_2C,在一定程度上会对其性能产生不利的影响。 从热力学和动力学角度简述了材料的微波合成机制,微波场中电场具有取向效应,可以增强粒子的扩散速率,提高材料的升温速率。对于不同的材料,如陶瓷材料和金属粉末冶金材料,其微波烧结机制是不同的,具有各自不同的特点。