WC-Ni 3 Al硬质合金的变形机理及耐腐蚀性能研究
发布时间：2021-11-10 16:55
WC-Co硬质合金由于具有较高的硬度、断裂强度和耐磨性,广泛应用于高速切削和耐磨防护领域。然而,使用Co作为粘结相的WC硬质合金已逐渐暴露出许多局限性,比如高密度、易腐蚀和易氧化。此外,WC-Co硬质合金由于高温时存在粘结相迅速软化,使得其力学性能随温度的升高而急剧下降。因此,寻求其它替代Co的新型粘结剂具有重要的工业意义,成为相关领域的研究热点。目前,金属间化合物Ni3Al被认为是最有前途的替代品之一。本文以经典Ni3Al高温合金IC221为基础,设计制备了Ni3Al粉末材料,研究了在使用不同球磨介质对WC-Ni3Al复合材料微观组织和力学性能的影响,重点分析了WC-Ni3Al硬质合金的变形机理以及腐蚀行为。本文首先以名义成分为Ni-8.25Al-7.85Cr-1.45Mo-0.01B的元素混合粉在干磨条件下通过机械合金化制备了Ni3Al粉末。研究表明,合金化20 h后完全形成金属间化合物相Ni3Al。增加合金化时间,Ni...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
W-C-Co系统在1400℃时的等温截面[8]
第一章绪论3米晶WC硬质合金因兼具较高的硬度和韧性而成为了研究热点[14]。然而使用WC纳米粉末制备纳米晶硬质合金时，因纳米粉末具有很高的烧结活性，需要添加晶粒生长抑制剂（GGI）来抑制晶粒长大。在起始粉末中加入少量的GGI（最常见的有VC、Cr3C2、TaC和NbC[15,16]），即可在烧结制品中保留起始粉末的晶粒度，同时不仅可以提高WC硬质合金的室温硬度，而且还可以提高其高温韧性、硬度和抗蠕变性能等。其具体机制为晶粒生长抑制剂溶解在钴基体中，从而形成熔化温度在1200~1250℃范围内的饱和固溶体，从而阻碍了W和C在钴基体中的溶解，晶粒生长因此而受到抑制[15]。图1-2硬质合金的主要性能与粘结剂含量、WC晶粒尺寸的关系[13]Fig.1-2CorrelationbetweenbindercontentandWCgrainsizewithmainpropertiesofcementedcarbides[13].虽然WC-Co系硬质合金具有极强的设计灵活性，但是在实际应用中，WC-Co硬质合金的硬度、强度和耐磨性会随着温度的升高而急剧下降，这是由于Co粘结相在高温下软化而引起的[17]；其抗氧化、抗腐蚀性能及高温性能也与钴含量成反比[18]；同时，Co元素属于稀缺资源，价格高昂，而且我国是一个Co资源匮乏的国家，每年都需要大量进口钴产品和钴资源[19]，而节约资源是现代工业可持续发展的总体要求；除此之外，工人长期吸入Co金属颗粒会产生间质性肺病（硬金属病），一些发达国家已经把钴列为致癌物质[20]。另外，随着现代工业的发展，对具有特定或优化特性的特殊硬质合金材料的需求亦日益增加[21]。基于以上原因，用其他更经济、毒性更小（或无毒）的材料部分或
第一章绪论5硬质合金，平均晶粒尺寸为400nm。因此，SPS烧结技术制备WC硬质合金可以有效控制晶粒长大，为制备超细晶及纳米晶硬质合金提供了有效途径。图1-3给出了不同种类WC硬质合金的硬度-断裂韧性关系[1,11-16,38-62]，其中绿色阴影显示了传统的WC-Co类硬质合金性能分布广泛[1,11-14,38,42-46]，硬度从HV10GPa到HV24GPa，断裂韧性从5MPam1/2到21MPam1/2。另外，通过在WC-Co硬质合金中添加GGI来制备的纳米晶硬质合金的硬度得到了提升（HV16.5~18.5GPa），但是断裂韧性仅为10MPam1/2左右，如图1-3红色红色阴影部分所示。图1-3硬质合金中断裂韧性与硬度值的关系Fig.1-3RelationshipbetweenfracturetoughnessandhardnessvaluesofWCbasedhardmetals.1.2.2其他金属类粘结剂WC硬质合金一种理想的可替代钴的粘结剂不仅要求与WC具有良好的润湿性，还要避免在液相烧结过程中因W和C溶解度不高而形成碳化物和金属间化合物，同时需具有一定延展性。早先，有人尝试用铁、镍等过渡金属替代钴。Fe作为较为廉价的候选者，对WC中的C有高亲和力，可以抑制WC晶粒的生长，但是在WC中易于形成η-相（M6C）而降低其性能。此外，它对WC的润湿性较差，在冷却循环过程中有形成马氏体的倾向[47]。研究发现，使用Fe作为粘结剂时加入Ni、Mn、Cr、Al、Cu等合金元素，可提高对WC的润湿性，改善硬质合金的力学性能。Hanyaloglu等[47]采用真空烧结法制备了WC-25
【参考文献】：
期刊论文
[1]全球钴资源供应现状简析[J]. 李成伟,王家义. 中国资源综合利用. 2018(07)
[2]我国硬质合金产业的发展现状及展望[J]. 胡耀斌,庞前列,彭毅萍. 超硬材料工程. 2017(04)
[3]聚晶金刚石的高温高压制备及其性能研究进展[J]. 郑艳彬,姜志刚,朱品文. 材料导报. 2016(23)
[4]合金元素对热压烧结Co-WC合金组织及性能的影响[J]. 陈功武,董企铭,邹文俊,韩平,彭进. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(01)
[5]气氛烧结法制备WC-Co梯度硬质合金的研究进展[J]. 孙卫权,原一高,王焱坤,白佳声,车俊华. 硬质合金. 2014(06)
[6]放电等离子技术快速烧结纳米WC-10%Co-0.8%VC硬质合金[J]. 赵海锋,朱丽慧,黄清伟. 稀有金属材料与工程. 2005(01)
[7]纳米复合WC-Co粉末的热压烧结[J]. 余晓华,邵刚勤,段兴龙,谢济仁. 硅酸盐通报. 2004(02)
博士论文
[1]纳米晶WC-Co硬质合金的微结构与性能研究[D]. 高杨.北京工业大学 2014
硕士论文
[1]WC-Ni3Al-（Co）硬质合金的微观结构及性能研究[D]. 张凯.中南大学 2014
[2]WC-Ni3Al复合材料的力学性能及其抗氧化和耐腐蚀性能的研究[D]. 陈健.华南理工大学 2013
[3]超细晶WC-Co及WC-Ni3Al硬质合金的制备与性能研究[D]. 申婷婷.中南大学 2013
本文编号：3487604
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：134 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
W-C-Co系统在1400℃时的等温截面[8]
第一章绪论3米晶WC硬质合金因兼具较高的硬度和韧性而成为了研究热点[14]。然而使用WC纳米粉末制备纳米晶硬质合金时，因纳米粉末具有很高的烧结活性，需要添加晶粒生长抑制剂（GGI）来抑制晶粒长大。在起始粉末中加入少量的GGI（最常见的有VC、Cr3C2、TaC和NbC[15,16]），即可在烧结制品中保留起始粉末的晶粒度，同时不仅可以提高WC硬质合金的室温硬度，而且还可以提高其高温韧性、硬度和抗蠕变性能等。其具体机制为晶粒生长抑制剂溶解在钴基体中，从而形成熔化温度在1200~1250℃范围内的饱和固溶体，从而阻碍了W和C在钴基体中的溶解，晶粒生长因此而受到抑制[15]。图1-2硬质合金的主要性能与粘结剂含量、WC晶粒尺寸的关系[13]Fig.1-2CorrelationbetweenbindercontentandWCgrainsizewithmainpropertiesofcementedcarbides[13].虽然WC-Co系硬质合金具有极强的设计灵活性，但是在实际应用中，WC-Co硬质合金的硬度、强度和耐磨性会随着温度的升高而急剧下降，这是由于Co粘结相在高温下软化而引起的[17]；其抗氧化、抗腐蚀性能及高温性能也与钴含量成反比[18]；同时，Co元素属于稀缺资源，价格高昂，而且我国是一个Co资源匮乏的国家，每年都需要大量进口钴产品和钴资源[19]，而节约资源是现代工业可持续发展的总体要求；除此之外，工人长期吸入Co金属颗粒会产生间质性肺病（硬金属病），一些发达国家已经把钴列为致癌物质[20]。另外，随着现代工业的发展，对具有特定或优化特性的特殊硬质合金材料的需求亦日益增加[21]。基于以上原因，用其他更经济、毒性更小（或无毒）的材料部分或
第一章绪论5硬质合金，平均晶粒尺寸为400nm。因此，SPS烧结技术制备WC硬质合金可以有效控制晶粒长大，为制备超细晶及纳米晶硬质合金提供了有效途径。图1-3给出了不同种类WC硬质合金的硬度-断裂韧性关系[1,11-16,38-62]，其中绿色阴影显示了传统的WC-Co类硬质合金性能分布广泛[1,11-14,38,42-46]，硬度从HV10GPa到HV24GPa，断裂韧性从5MPam1/2到21MPam1/2。另外，通过在WC-Co硬质合金中添加GGI来制备的纳米晶硬质合金的硬度得到了提升（HV16.5~18.5GPa），但是断裂韧性仅为10MPam1/2左右，如图1-3红色红色阴影部分所示。图1-3硬质合金中断裂韧性与硬度值的关系Fig.1-3RelationshipbetweenfracturetoughnessandhardnessvaluesofWCbasedhardmetals.1.2.2其他金属类粘结剂WC硬质合金一种理想的可替代钴的粘结剂不仅要求与WC具有良好的润湿性，还要避免在液相烧结过程中因W和C溶解度不高而形成碳化物和金属间化合物，同时需具有一定延展性。早先，有人尝试用铁、镍等过渡金属替代钴。Fe作为较为廉价的候选者，对WC中的C有高亲和力，可以抑制WC晶粒的生长，但是在WC中易于形成η-相（M6C）而降低其性能。此外，它对WC的润湿性较差，在冷却循环过程中有形成马氏体的倾向[47]。研究发现，使用Fe作为粘结剂时加入Ni、Mn、Cr、Al、Cu等合金元素，可提高对WC的润湿性，改善硬质合金的力学性能。Hanyaloglu等[47]采用真空烧结法制备了WC-25
【参考文献】：
期刊论文
[1]全球钴资源供应现状简析[J]. 李成伟,王家义. 中国资源综合利用. 2018(07)
[2]我国硬质合金产业的发展现状及展望[J]. 胡耀斌,庞前列,彭毅萍. 超硬材料工程. 2017(04)
[3]聚晶金刚石的高温高压制备及其性能研究进展[J]. 郑艳彬,姜志刚,朱品文. 材料导报. 2016(23)
[4]合金元素对热压烧结Co-WC合金组织及性能的影响[J]. 陈功武,董企铭,邹文俊,韩平,彭进. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(01)
[5]气氛烧结法制备WC-Co梯度硬质合金的研究进展[J]. 孙卫权,原一高,王焱坤,白佳声,车俊华. 硬质合金. 2014(06)
[6]放电等离子技术快速烧结纳米WC-10%Co-0.8%VC硬质合金[J]. 赵海锋,朱丽慧,黄清伟. 稀有金属材料与工程. 2005(01)
[7]纳米复合WC-Co粉末的热压烧结[J]. 余晓华,邵刚勤,段兴龙,谢济仁. 硅酸盐通报. 2004(02)
博士论文
[1]纳米晶WC-Co硬质合金的微结构与性能研究[D]. 高杨.北京工业大学 2014
硕士论文
[1]WC-Ni3Al-（Co）硬质合金的微观结构及性能研究[D]. 张凯.中南大学 2014
[2]WC-Ni3Al复合材料的力学性能及其抗氧化和耐腐蚀性能的研究[D]. 陈健.华南理工大学 2013
[3]超细晶WC-Co及WC-Ni3Al硬质合金的制备与性能研究[D]. 申婷婷.中南大学 2013
本文编号：3487604
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