TiCN基钢结硬质合金制备及热处理的研究

发布时间：2017-11-17 06:01

  本文关键词：TiCN基钢结硬质合金制备及热处理的研究

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【摘要】：硬质合金(WC-Co合金)是切削刀具行业最常用的材料之一,由于硬质合金原料的高成本和毒性,近年来材料工作者开始寻找其替代材料。TiCN基金属陶瓷具有密度低、硬度高、耐磨损和抗高温抗氧化,是一种合适的替换材料,然而这种材料仍是用的镍和钴等做黏结相,没有解决高成本和毒性的问题。本研究将用原子数相近的Fe来替换Co、Ni等作为金属陶瓷的黏结相,用铁作黏结相的优点除了Fe资源更丰富,价格更低廉,更低的毒性外,还因为Fe的合金能够通过热处理来提高材料的性能,这是一般硬质合金所不具备的。而Ti(C,N)基钢结硬质合金的缺点在于烧结阶段液态铁对Ti(C,N)硬质颗粒的润湿性不佳,从而影响材料的力学性能。本研究以质量分数为36%的Ti(C,N)为硬质相,以W6Mo5Cr4V2钨钼高速钢为基体,钢基体中的合金元素及其碳化物能够改善组织、增强合金性能。本文重点研究了制备工艺、碳含量以及热处理工艺等对合金组织、性能的影响。在氩气氛围中高能行星球磨12h能够获得破碎效果最好、混合更均匀的混合料,此时混合料中的氧含量增加最小,仅为1.3%,碳/氮比基本保持了原料粉末中的水平。随着烧结温度的增加,Ti(C,N)基钢结硬质合金的力学性能呈现出一种先上升后下降的趋势,在烧结温度为1450℃的时候,其力学性能出现一个拐点,达到了最大值,烧结体的断裂韧性及硬度分别是11MPa·m~(1/2)和1265 HV30。此时,合金具有最好的微观组织结构,为与金属陶瓷类似的芯-壳结构。碳含量对合金组织及烧结机制有着较大影响。当碳含量较低时(0.5%),合金共晶温度较高,合金元素仅从钢基体中析出,碳化物中富含Mo,无硬质相的溶解,硬质相与钢基体的结合强度差,组织孔隙多;当碳含量为0.9%~1.1%,合金实现液相烧结,部分硬质相颗粒Ti(C,N)溶解于液相中,与钢基体中的合金元素形成固溶体,冷却时从钢基体中析出,分布在未溶的硬质相周边,形成典型的芯-壳结构,改善了钢基体对硬质相的润湿性。当碳含量过高时(1.3%),易导致硬质相聚集,存在两者碳化物,包裹Ti(C,N)的碳化物“壳”增厚,这种组织对合金的强度是极为不利的。当热处理工艺为在氩气气氛1170℃淬火保温1h,然后520℃二次回火,保温0.5h,将获得较好的热处理效果,在此工艺参数下硬度提高21%,达到1530 HV30,断裂韧性提高38%,达到15.2MPa·m~(1/2)。本文还研究了热处理对合金高温氧化机制的影响,氧化层共分里、中、外三层,其中里层形成了由TiO_2、FeTiO_3组成的保护层,阻碍了氧气对合金内部组织的氧化,氧化增重速率明显降低。
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG135.5;TG156

【参考文献】

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本文编号：1195002