强流脉冲电子束WC-Co硬质合金表面改性组织及性能研究

发布时间：2019-11-05 23:34

【摘要】：现代机加行业对WC-Co硬质合金刀具的加工效率、使用寿命和维护成本等方面提出更高要求,研究和开发硬质合金刀具表面改性新工艺具有重要的实用价值。作为近年来新兴的表面改性技术,强流脉冲电子束通过微秒级脉冲能量沉积,引发工件表层快速熔凝和应力冲击作用,可制备组织致密、成分均匀,厚度达几个微米的改性层,进而提高材料表面使役性能。本论文采用工业常用的YG6和YG8硬质合金为实验材料,系统研究硬质合金表面改性组织和性能变化规律,探索强流脉冲电子束硬质合金表面改性机理和有效工艺方法,得到主要研究结果如下：对YG6硬质合金进行强流脉冲电子束表面改性实验,选择加速电压27kV,脉冲次数1、5、10、20、35次。发现随脉冲次数增加,试样表面形成厚度～0.8μm的重熔层,晶粒显著细化,20次脉冲处理样品表面晶粒平均尺寸～0.1μm。改性样品表面均有熔坑和微裂纹产生,当脉冲次数达到20次时,微裂纹有明显愈合,表面仅存少量熔坑,尺寸减小至～1.1μm。对YG8硬质合金进行强流脉冲电子束表面改性实验,选择加速电压23.4和27 kV,脉冲次数1、3、5、10、15、25、50次。发现对于同一加速电压,随着脉冲次数增加,试样表面熔化程度增加,WC晶粒变得圆滑,形成了～1μm的重熔层。熔坑平均尺寸由最大值3.16μm逐渐减小至0.63 μm。改性表面会产生微裂纹,当脉冲次数达到50次时,微裂纹连接成网状。对比不同加速电压,使用27 kV时所形成的熔坑面密度更低。根据改性表面的结构完整性来说,较好的工艺参数为加速电压27kV,25次脉冲。通过微结构表征,发现硬质合金表面改性层均形成面心立方WC,-x相、Co3W9C4相和石墨相。进一步的TEM、EBSD等分析表明, YG6试样表层的WC1-x相尺寸在20-100 nm之间,Co3W9C4相尺寸为十几纳米,石墨颗粒相尺寸小于100 nm,改性表层形成了纳米复合组织。经20次脉冲处理,纳米相分布相对更为均匀,所占面积分数达到39%。YG硬质合金经强流脉冲电子束改性的组织演变机制是形成fcc组织+M12C化合物+石墨相这样一种亚稳平衡体系。对YG6硬质合金强流脉冲电子束改性试样进行表面性能测试,发现随着脉冲次数增加,表面显微硬度呈现先升高后下降的现象,最大值较原始试样提高了约36%。相应地,磨痕深度与磨损率均呈现先下降后升高的的趋势,其中27kV和20次脉冲处理试样达到最佳状态,其磨痕深度较基体降低约82%,磨损率降至12.3 mm3min-1,仅为原始试样的35%。耐蚀性实验结果表明,经强流脉冲电子束改性试样的自腐蚀电流密度均低于原始材料(约为6.415×10-5 A/cm2),最低值达到1.495×10 A/cm2,耐蚀性能得到改善。与此类似,随着强流脉冲电子束脉冲次数增加,YG8试样表面显微硬度也呈现先升高后下降的现象,其中提高最明显的是27 kV和25次处理试样,表面显微硬度约为2262HK,对应的磨损率降至14.7 mm3min-1,约为原始试样的38%。上述研究结果表明,强流脉冲电子束处理可使硬质合金表层转变为纳米复合组织,并首次发现纳米石墨原位析出现象,硬质合金的表面显微硬度和耐磨性能可以得到大幅度的提高。此外,尚有一些问题需要在今后继续开展研究,如Co粘结相含量对改性组织转变规律的影响,纳米石墨相析出规律及其对表面耐磨性能的动态影响机制,从工艺和材料角度消除微裂纹的产生等。
【图文】：

示意图,强流脉冲电子束,示意图,电子束

图１．１强流脉冲电子束诱发不同处理层示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｚｏｎｅｓ邋ｇｅｎｅｒａｔｅｄ邋ｂｙ邋ＨＣＰＥＢ邋化ｅａｔｍｅｎｔ流脉冲电子束在表面改性处理中的应用及xO究现状逡逑电子的能量注入形式来划分，可分为连续型电子束和脉冲型电子。连

强流脉冲电子束,诊断系统,脉冲功率电源,电源控制系统

设备如图２．１所示，，主要分为电子枪、电源控制系统、诊断系统和真空系电子枪的作用是产生强流脉冲电子束，它是整个实验装置的核屯、部件。电括脉冲高压发生器、脉冲功率电源、磁场触发电源等。诊断系统可Ｗ用来测、阴极加速电压、电子束流、入射束平均能量密度等逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG711;TG661

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