Co、C及TiC添加量对细晶粒硬质合金组织及性能的影响

发布时间：2020-10-10 05:51

　　硬质合金被称为工业的“牙齿”,在国民经济和社会发展中具有重要作用,其用途非常广泛,主要用于切削刀具,目前已占国内刀具的90%以上。硬质合金具有良好的综合性能,在刀具行业得到了广泛的应用。硬度和韧性之间的矛盾问题阻碍了硬质合金刀具的进一步发展。本文采用粉末冶金法制备了不同成分的细晶粒硬质合金材料,主要研究了钴含量、碳含量和碳化钛的添加量对细晶粒硬质合金组织及性能的影响。采用X射线衍射、SEM、自动钴磁仪、矫顽磁力测量仪、万能试验机等分析方法,研究了成分变化对细晶粒硬质合金组织及性能的影响。主要研究结果如下:烧结过程中钴不仅可以充分填充WC骨架之间的间隙,还避免了烧结过后形成钴池。钴磁随着钴含量的增加而提高,而矫顽磁力不断降低。合金的显微硬度和抗弯强度均在钴含量为13%时最大,此时晶粒尺寸较小,有助于提高显微硬度和抗弯强度。硬质合金的断裂主要发生的是延性断裂,断口有WC颗粒被拔出而留下的韧窝状组织。当碳含量增加时,组织中石墨相逐渐增多,并在高倍下观察出WC晶粒呈长大趋势;当加入的C为0.2%时,烧结过后的合金中只存在(WC+γ)相,抗弯强度达到最大值,此时的断口形貌中存在很多韧窝;当碳含量为1.2%时,抗弯强度数值最小,断口处有较多的石墨孔洞。合金的硬度随着碳含量的增加一直呈下降趋势;当碳含量增加时,矫顽磁力不断降低,而磁性钴含量不断升高,但均小于所加入的原始钴含量。添加碳化钛可以抑制W在Co中的固溶,提高合金的磁性钴含量;TiC和WC在烧结的过程中形成(Ti,W)C固溶体,分布在WC的边角处,阻碍WC晶粒的迁移长大,起到细化晶粒作用。合金的硬度随着TiC含量的增加不断上升,而抗弯强度随着TiC的增加而降低,因为烧结过程中形成的(Ti,W)C固溶体是一种硬脆相。裂纹扩展路径随着TiC含量的增加不断延长,添加TiC有利于提高合金的韧性。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG135.5
【部分图文】：

粒径分布,粒径分布,衍射峰,衍射图谱

接近亚微米级别，而添加的 TiC 粒度达到了粗颗粒级别。各粉末的粒度分布图如图 2.1 所示。由图2.1 可见，原始粉末粒径分布较窄，WC 的粒度完全呈正态分布，Co 和 TiC 的粒径基本呈正态分布。表 2.4 原始粉末特征参数Tab 2.4 Main characteristic parameters of the original powders粉末成份/(w/%) 杂质含量/(w/%)WC w(W)=93.8%；w(CT)=6.14% w(Fe)=0.002%；w(O)=0.1%；w(Cfree)≤0.18%Co w(Co)=99.6% w(CT)=0.01%；w(O)=0.4%TiC w(TiC)≥99.5%；w(CT)=19.2% w(O)≤0.45%；w(Cfree)≤0.2%图 2.1 原始粉末粒径分布图： (a) WC; (b) Co; (c) TiCFig 2.1 Particle size distribution images of raw powders: (a) WC; (b) Co; (c) TiC对原始粉末 WC、Co、TiC 进行物相检测，通过与标准衍射图谱比对，标定的各衍射峰如下图 2.2 所示。通过 XRD 物相分析发现，图 2.2(a)中只含有 WC 单一衍射峰，图 2.2(b)、(c)分别对应的是 Co、TiC 的衍射图谱，均只含有原始粉末的单一衍射峰，原始粉末纯度较高，衍射峰中未发现杂质峰。

XRD衍射,球磨,粉末颗粒,颗粒

图 2.2 原始粉末 XRD 衍射图： (a) WC; (b) Co; (c) TiCFig 2.2 XRD patterns of raw powders: (a) WC; (b) Co; (c) TiC2.3.3 原始粉末形貌实验中所用原始粉末形貌图如图 2.3(a)至 2.3(d)所示，粉末颗粒均匀分布，原始颗粒形态清晰可见，无明显大的颗粒及团聚现象。因为原始的 TiC 粉末颗粒较大，所以需要进行球磨细化。图 2.3(e)对应的是球磨 24 h 后的 TiC 粉末形貌图，跟图 2.3(c)对比发现，2.3(e)中 TiC 颗粒发生碎化细化，无明显的大的 TiC 颗粒。实验中所加的 TiC 粉末均为球磨细化后的 TiC 粉末。

SEM图,金属粉末,粉末冶金法,粉末成型

图 2.3 原始粉末 SEM 图： (a) WC; (b) Co; (c) TiC; (d) C; (e) 细化后 TiCFig 2.3 SEM images of raw powders: (a) WC; (b) Co; (c) TiC; (d) C; (e) refining TiC2.4 试样的制备硬质合金的制备一般采用的是传统的粉末冶金法，粉末冶金法是将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末）为原料，经过混粉、造粒、压制、烧结等工艺过程将粉末成型为块体材料的过程。制备过程中的每一步工艺都会对硬质合金产品的组织、结构和性能产生很大的影响，所以需要严格控制生产过程中的每一步工艺参数。本实验的实验过程可简化成以下几个步骤，流程图如图 2.4 所示。

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