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梯度结构硬质合金的制备原理及梯度形成机理研究

羊建高  
【摘要】:本研究以实现硬质合金耐磨损零部件、切削刀具以及耐冲击工具的高性能化(高硬度、高韧性)为目的,利用SEM、TEM、XRD、EDAX等现代材料分析与测试手段,对梯度结构硬质合金的成分、制备工艺、组织结构与性能之间的关系进行了系统研究,对制备原理、梯度形成机理等重要理论问题进行了深入探讨,得到以下结论: (1) 以WC晶粒度不同的两种混合料粉末为原料,通过分层铺叠方法制备硬质合金,实现了硬质合金双层界面处成分、组织结构及性能的梯度变化。研究发现,梯度结构的形成原因,是烧结过程中毛细管力、WC骨架重组以及WC溶解-析出机制的综合作用,使得液态钴粘结相从粗晶层向细晶层迁移。毛细管力导致液相迁移的过程主要发生在烧结的初期阶段。 (2) 通过合理确定碳含量、渗碳温度、渗碳时间和渗碳方式制备了具有三层结构的梯度硬质合金。研究发现,过高的渗碳温度以及试样中过低的碳含量对梯度结构的形成不利,渗碳时间延长将增加梯度层厚度。 (3) 建立了扩散原子在液态金属中扩散系数的计算方程。与前人的工作比较,所建立的方程与实际具有更好的符合性。 (4) 建立了低于化学计量碳含量的硬质合金在渗碳处理时梯度层厚度增长的动力学方程。用此方程计算出的梯度层厚度随渗碳时间变化的关系与实际测量值比较接近。 (5) 研究发现,经固相渗碳处理也可获得钴粘结相呈梯度结构的硬质合金。其形成机理是碳原子扩散驱动下的W原子和Co原子的迁移。液相渗碳处理时钴相梯度结构形成主要是碳原子扩散驱动下的W原子迁移,导致表层碳化钨晶粒长大并相互靠近,从而使液态钴向合金内部迁移。 (6) 研究了合金成分、烧结方式、工艺参数等对表层缺立方相碳化物形成过程的影响。采用间歇烧结方式,在脱氮气氛中烧结含氮硬质合金,通过控制烧结体内外的氮活度差,制备了具有梯度结构以及高抗弯强度的涂层刀片。研究发现,烧结体中的氮向外扩散、钛向内扩散是含氮硬质合金形成缺立方相碳化物表面韧性区的主要原因。 (7) 经现场使用试验证明,本研究所制备的具有梯度结构的硬质合金顶锤、涂层刀片以及硬质合金钻齿的使用性能均明显优于常规均匀结构的硬质合金。


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