少粘结剂WC陶瓷的制备工艺及组织性能研究

发布时间：2020-04-23 01:45

【摘要】：碳化钨陶瓷以极高的硬度和耐磨损性被广泛应用,但脆性大、致密化困难,限制了其应用。添加增韧相氧化锆颗粒到碳化钨陶瓷中,同时添加少量金属粘结剂促进烧结,能够改善材料性能。本文以0.53μm的碳化钨粉末(含晶粒生长抑制剂0.54 wt.%Cr_3C_2和0.33 wt.%VC)和加入3mol.%Y_2O_3部分稳定的氧化锆(3Y-TZP)粉末为主要原料,Ni作为金属烧结助剂,分别采用真空烧结/热压烧结+热等静压后处理等制备工艺,进行WC陶瓷的致密化烧结,研究制备工艺和成分对复相陶瓷致密化的有效作用及其机理。研究结果表明:无金属助烧剂的WC-ZrO_2复相陶瓷,真空烧结下极难达到材料致密,1800℃烧结的WC-4wt.%ZrO_2陶瓷致密度仅为76.27%,且生成大量缺碳相W_2C。而WC-4wt.%ZrO_2采用热压烧结方法在1600℃*0.5h制备工艺下,可实现材料基本致密化,热等静压处理(1600℃×100MPa×2h)进一步提升材料致密度。Zr O_2的存在对材料的烧结有促进作用。适当的提升热压烧结温度至1650℃,所制备的WC-2wt.%ZrO_2接近完全致密,其致密度可达99.15%,硬度为22.5GPa,断裂韧性值为6.5MPa·m~(1/2)。与1600℃热压烧结及热等静压处理后的WC-2wt.%ZrO_2样品对比发现,材料的热等静压后处理并没有适当提高热压烧结温度对性能的提高明显。添加少量助烧剂的WC-Ni复合陶瓷,可以在真空烧结条件下实现初步致密化,并可运用真空烧结+热等静压处理工艺制备复杂形状的致密WC-Ni复合陶瓷。研究表明:当Ni含量高于0.25wt.%后,即能实现WC复合陶瓷的基本致密。随着Ni含量的增加,材料致密化程度不断提升,且缺碳相W_2C生成量不断减少;当Ni含量达到1wt.%时,已无缺碳相生成。随着Ni含量的增加,材料硬度逐渐降低,而断裂韧性则随着Ni含量的增加及致密化程度的不断提升,呈现逐渐升高趋势。其中,1700℃真空烧结的WC-0.5wt.%Ni的强韧性最好,热等静压处理后,材料已完全致密,致密度为100.00%,硬度为24.9GPa,断裂韧性高达12.2MPa·m~(1/2);抗弯强度随着Ni含量的增加,呈现先增加后下降的趋势,WC-0.5wt.%Ni的弯曲强度最高,为749.2MPa,材料断裂方式主要为WC颗粒的穿晶断裂。而对于WC-ZrO_2-Ni复合陶瓷,由于Ni的添加,在真空烧结条件下,便可制备出基本致密的WC-ZrO_2-Ni复合材料。随着烧结温度的升高,材料致密度不断提升。对1700℃真空烧结的WC-2wt.%ZrO_2-1wt.%Ni复合材料进行1600℃×60MPa×2h的热等静压后处理,可以进一步使其致密化,相对密度达到99.96%。复合材料的高致密化以及ZrO_2韧性相的存在,提高了断裂韧性及抗弯强度。WC-2wt.%Zr O_2-1wt.%Ni复合材料1700℃真空烧结及热等静压后材料硬度可达22.4GPa,断裂韧性为12.0MPa·m~(1/2),且弯曲强度高达1101.2MPa。材料的断裂机制为WC基体和ZrO_2的穿晶断裂以及少量ZrO_2和WC颗粒的沿晶断裂。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.6

【参考文献】