WC-VC-TiC硬质合金中VC和TiC的固溶效应对组织结构和性能的影响

发布时间：2020-07-14 18:14

【摘要】：硬质合金作为超硬、超耐磨材料在工业生产中有非常广泛的应用。为满足其在极端工况下的服役要求,提高硬质合金的强度、耐磨性、抗热疲劳、抗热震性、耐腐蚀性的是当前研究的热点。在大量优化硬质合金性能的研究中,通过固溶效应来提高其性能受到越来越多的关注,例如(W,Ti)C固溶体可以有效地克服化学腐蚀以及切割过程中的扩散磨损,(W,V)C可以提高硬质合金的硬度和红硬性等,但对VC、TiC同时固溶到WC中来增强硬质合金性能的研究报道并不多。因此,本论文首先先运用第一性原理对(W,V,Ti)C碳化物的固溶相图进行计算,然后对相图中的稳定固溶相的力学性能进行计算。我们筛选出具有优化的力学性能的(W,V,Ti)C碳化物的成分,随后针对计算给出的性能优化区域,在实验上合成相应成分的硬质合金,详细研究其成分、微观结构、力学性能、耐腐蚀性能、摩擦磨损性能并且研究力学性能与抗磨性能之间的关联性。通过上述研究,得出以下结论:(1)第一性原理计算结果表明在富含Ti、V的(W,V,Ti)C碳化物中面心立方结构为稳定相,而在富含W元素的(W,V,Ti)C碳化物中六方密堆结构为稳定相。此外,从计算的力学性能可以看出少量的等摩尔比添加TiC和VC可以增强(W,V,Ti)C碳化物的杨氏模量和剪切模量。(2)以等摩尔含量比的形式向无粘结相WC基硬质合金中添加1 at.%~5 at.%VC、TiC。VC、TiC与WC形成(W,V,Ti)C固溶体,而非复合物结构。(W,V,Ti)C固溶体的固溶强化效应对无粘结相WC基硬质合金力学性能的优化十分显著,尤其是硬度,由964.5 HV_(10)(未添加VC、TiC)上升至2533.4 HV_(10)(5 at.%VC、5 at.%TiC)。随着VC和TiC的含量的不断增加,硬质合金的断裂韧性不断下降,但下降趋势不明显。在室温下,以球盘往复式的对磨方式对硬质合金进行干摩擦测试,发现其摩擦系数和磨损率均随VC和TiC的含量的升高而降低。磨损率由2.56×10~(-3)mm~3/Nm(未添加VC、TiC),下降至4.6×10~(-5)mm~3/Nm(5 at.%VC、5at.%TiC),下降幅度超过98%。未添加或微量添加VC和TiC的硬质合金磨损机理以犁削、粘着磨损和磨粒磨损为主,高VC和TiC含量的硬质合金磨损机理以晶粒的破碎拔出和表面开裂为主。(3)以等摩尔含量比的形式在WC-8wt.%Co硬质合金中添加1 at.%~5 at.%的VC和TiC。WC、VC、TiC以固溶体的形式存在于硬质合金中,而非复合物的形式。从微观组织上看,硬质合金的晶粒不断细化,粘结相Co的自由程不断减小。从性能上看,硬质合金的硬度得到提升,由1709.3 HV_(10)(未添加VC、TiC)上升至2211 HV_(10)(4 at.%VC、4 at.%TiC),提升约29.4%。但随着VC和TiC的含量的增加,断裂韧性呈下降趋势。在室温下,以球盘往复式的对磨方式对硬质合金进行干摩擦测试,发现其摩擦系数与VC、TiC含量没有太大的相关性,但其磨损率随VC、TiC含量的增加而减小,磨损率由9.91×10~(-5)mm~3/Nm(未添加VC、TiC),下降至1.29×10~(-5)mm~3/Nm(4 at.%VC、4 at.%TiC),下降幅度约87%。未添加或微量添加VC和TiC的硬质合金磨损机理以犁削、Co相的挤出和涂抹以及磨粒磨损为主,高VC和TiC含量的硬质合金磨损机理以碳化物晶粒的破碎拔出和表面开裂为主。此外,VC、TiC使得WC-Co硬质合金的耐腐蚀性能得到优化,其耐腐蚀性能随VC、TiC含量的增加而不断增强。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG135.5
【图文】：

耐磨零件,切削刀具,硬质合金,金属成型

WC-VC-TiC 硬质合金中 VC 和 TiC 的固溶效应对组织结构和性能的影响（5）高化学稳定性，高耐酸碱腐蚀性以及高温下的抗氧化能力；（6）低热膨胀系数，通常为钢的一半；（7）断裂韧性较低。综合以上特点，硬质合金常被应用于极端工况，诸如地质勘探、石油钻井、切削加工、矿山开采、磨料等需要高硬度、高强度、高耐磨性的领域。从其应用领域上看，硬质合金产品可以分为三大类，即切削刀具、耐磨零件、矿用工具。在切削刀具方面的应用主要为用于切削金属、石料、玻璃、塑料等材料的铣刀、车刀、刨刀等。在耐磨零件方面的应用主要有发动机气缸内衬、喷嘴、密封件、用于金属成型和制造模具以及轴承等。硬质合金的应用如图 1.1 所示。

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理目前没有一致的说法，主要有以下三种观点[22,23]：(1)溶解理论，烧结过程中 VC 优先溶解于 Co 相中，使得 WC 在 Co 相中的溶解度下降，进而降低了 WC 通过液相再结晶长大速率；(2)吸附理论：WC 的表面能由于 VC 吸附在 WC 颗粒表面而降低，其在 Co相中的溶解度也随之降低；(3)偏析理论：VC 会沿 WC/WC 界面发生偏析，阻碍 WC 界面的迁移，进而阻止 WC 颗粒发生 Ostwald 熟化。李海艳等人[24]针对VC对WC-6.5wt.%Co硬质合金组织和性能的影响进行研究表明，VC 对 WC-6.5 wt.%Co 硬质合金的晶粒细化作用非常显著。如图 1.2 所示，未添加 VC 的硬质合金晶粒较为粗大，仅添加 0.5 wt.%的 VC 后，硬质合金晶粒明显细化，继续增大 VC 加入量，硬质合金晶粒继续细化。

微观形貌,硬质合金表面,VC含量,微观形貌

WC-VC-TiC 硬质合金中 VC 和 TiC 的固溶效应对组织结构和性能的影响1350℃烧结，(e) ~ (h)为 1400℃烧结，VC 含量：(a)和(e)为 0 wt.%，(b)和(f)为 2.5wt.%，(c)和(g)为 5 wt.%，(d)和(h)为 7.5 wt.%。由图可知随着 VC 含量的增加以及烧结温度的上升，硬质合金的孔隙度也会同时增加。

【参考文献】