高致密、高强度TiC钢结硬质合金的研究

【摘要】：TiC钢结硬质合金硬度高、比重小、耐磨性好,可机加工和热处理,广泛应用于工业模具、量具和抗震零件,也是航天、航空、船舶和兵器等领域用耐磨零件的重要制备材料。目前,我国军工和高科技领域用TiC钢结硬质合金基本依靠国产,与国外同类材料相比,国产TiC钢结硬质合金常常存在孔隙率过高,材质不均匀及强度偏低等问题,致使材料在加工和使用过程中出现各种问题,如：加工成品率低,抗磨损能力不足等。粉末冶金技术可以制造原料比重差异大、成分复杂的金属复合材料,通过液相烧结的方法可使TiC相与钢基体牢固结合,并赋予材料良好的力学性能及抗磨损能力。本论文采用粉末冶金方法制备了TiC钢结硬质合金,并就制备工艺、羰基铁粉替代还原铁粉、添加稀土元素对合金性能的影响,以及合金致密化技术和组织结构等内容进行了研究,获得主要结论如下： 真空(真空度4.5×10-1pa)环境下,采用粉末冶金液相烧结方法制备了Fe-3.0Cr-3.0Mo-0.5Cu-0.4Ni-0.5C-33TiC合金,研究了粉末处理技术、成形工艺和烧结工艺等因素对合金性能的影响。高能球磨过程中,元素Fe与Mo、C、 Cu、Ni等组元发生合金化反应,形成Fe的固溶体,随着球磨时间的增加,合金组织细化,成分均匀性增加；压坯密度随着成形压力的增加而提高,但成形压力相同时,冷等静压成形合金的抗弯强度、硬度和密度均高于模压成形；在一定范围内,合金的抗弯强度、硬度和密度随最终烧结温度的升高和保温时间的增加而提高,当最终烧结温度为1420℃,保温时间1h时,合金综合性能最佳。 以羰基铁粉替代还原铁粉制备了相同成分的TiC钢结硬质合金,研究发现：在TiC钢结硬质合金中添加羰基铁粉可以改善粉末成形性能,使压坯密度更高,促进烧结进程,使烧结温度降低。提出羰基铁粉粒度小,装模过程可充填大颗粒间隙,呈圆形,成形过程在粉末颗粒之间滚动,减小粉末流动及变形阻力,是改善成形性能的主要原因。比表面积大、原子迁移距离缩小是促进烧结进程的主要原因。经1400℃烧结后,与未添加羰基铁粉的合金相比,添加30%羰基铁粉的合金力学明显提高,硬度由77.5HRA提高到81.8HRA,抗弯强度由1123MPa上或到1447MPa。 制备了含微量稀土(RE)的TiC钢结硬质合金,比较了Fe-RE中间合金和CeO2两种不同添加形式对合金性能的影响。实验结果表明：以Fe-RE中间合金的形式添加RE效果更好,在球磨和烧结过程中,RE对合金粉末具有明显的脱氧和保碳作用,有助于不同组元间润湿性的提高,从而有利于致密化进程,达到减小孔隙率的目的。提出在液相烧结过程中,稀土聚集于TiC颗粒表面,使其表面能降低,阻碍TiC在液相中的溶解-析出过程,抑制TiC晶粒的长大。Fe-RE添加量为0.8%时,合金综合性能最佳。 研究了锻造及热等静压工艺对钢结硬质合金致密性的影响。研究发现：采用自行设计锻模锻造时,合金受力状态有利于抑制裂纹的形成与扩展,合金开裂现象显著减少。通过锻造,合金中的孔隙变小或消失,TiC及其它碳化物脆性相碎裂细化,分布趋于均匀,力学性能提高。通过极差实验,确定了该合金的理想热等静压参数为：压力：140MPa；温度：1260℃；保温保压时间：0.5h。经过热等静压处理,合金在烧结过程中产生的孔洞等组织缺陷减小或消失,材料更加致密,材料综合性能明显提高。将锻造与热等静压工艺结合,合金的组织及性能改善更加明显,硬度达到86.8HRA,抗弯强度达到1677MPa。 组织结构研究发现：烧结和热等静压过程中,TiC在基体液相中存在溶解-析出过程,伴随这一过程,小尺寸TiC颗粒减小或消失,大尺寸TiC颗粒长大且形状变得更加圆滑。本研究制备TiC钢结硬质合金界面处存在成分过渡,且无界面反应物生成,TiC相与基体结合良好。断口分析发现：基体断裂面表现为具有脆性特征的准解理断裂,TiC相断裂特征受颗粒尺寸影响,尺寸较大的TiC颗粒(2μm)以解理断裂为主,尺寸较小(1μm)的表现出沿晶断裂特征。