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特粗WC颗粒的制备及碳化过程的行为研究

梅文强  
【摘要】:碳化钨(WC)是硬质合金的重要组成部分,WC的晶粒尺寸对硬质合金的性能有着重要的影响。优质超粗晶WC具有细晶WC所不具备的一系列优点,如晶体结构完整、显微硬度高、晶粒尺寸粗大、微观应变小以及具有一定的塑性等。用于生产硬质合金,可显著改善硬质合金的抗断裂韧性,提高其使用寿命,广泛应用于生产矿山凿岩工具、石油钻采工具等。 本文采用大尺寸高纯W单晶颗粒为原料,经机械法球磨破碎后过筛分级,得到尺寸在1~3mm、250-380μm、180-250μm、150~180μm、120~150μm、96-120μm(编号分别为W-1、W-2、W-3、W-4、W-5、W-6)的六种W颗粒,经高温碳化制取了超粗WC颗粒。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、化学成分分析、粒度测定等分析测试手段,对颗粒碳化效果、C含量、晶粒度以及显微缺陷进行分析,并研究了碳化过程中的晶体结构演变、相的变化、颗粒炸裂原因以及晶界产生的机理。得到结论如下: (1)在碳化温度为2200℃,碳化过程中的保温时间为6-7小时,总碳化时间为30小时的碳化工艺下,经一次碳化就能碳化完全的为W-4、W-5、W-6三种颗粒,其中W-1、W-2颗粒经多次碳化未能碳化完全;最终得到的碳化完全的WC颗粒表面呈银白色,粒度均匀,大都为不规则碎石状,存在少量片状颗粒;化合碳含量为6.13%±0.03%,游离碳含量很低,不高于0.03%;所制备WC颗粒中的晶粒粗大。 (2)单晶W颗粒经过球磨破碎再碳化后,颗粒中有大量晶界产生,碳化完全后转变为多晶WC颗粒。原因在于W粒经过破碎后会产生加工硬化,储存能主要以结构缺陷的形式存在于颗粒中,碳化时,高温环境使W颗粒发生了回复和再结晶。再结晶形核来源于亚晶界的移动,多个核心的同时长大使得颗粒中形成多个晶粒,碳化后最终得到的颗粒即为多晶颗粒。 (3)W为体心立方结构,在高温碳化过程中,C原子在W粒中沿着W晶格的最密排方向扩散,进入W晶格的四面体间隙中,改变了周围原子的键力平衡,使周围原子位置重新调整,生成了具有密排六方结构的WC。在碳化过程中,C原子首先会进入W颗粒表面生成W2C或WC(1-x),然后生成WC,在浓度梯度存在的情况下,逐步向颗粒内部扩散;颗粒过大时,由于浓度梯度从外到内逐渐变小,颗粒内部将无法碳化完全。整个过程中,从颗粒表面到颗粒芯部会依次产生W→W2C(或WC(1-x))→WC的相变化。 (4)高温碳化过程中,会出现颗粒炸裂现象,其原因主要有:①W粒破碎过程中部分颗粒内部会产生一些微小裂纹,在高温碳化时,由于热应力的作用会使裂纹扩展,导致颗粒炸裂;②渗碳过程中由于发生固态相变产生的相变应力导致部分W颗粒碳化后炸裂。颗粒大小和碳化次数对颗粒炸裂有很大影响。 (5)碳化后的颗粒中存在较多的缺陷。在W粒进行破碎和碳化过程中,由于冷变形和热应力的作用,会引起W粒内部产生裂纹;再结晶过程中,晶粒的交界处易形成微孔缺陷。


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