WC-MgO復合材料的熱壓燒結工藝與組織性能研究.pdf

1、硬質合金具有高強度、高硬度、高彈性模量和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，在切削刀具、石油與礦產勘探、精密模具和耐磨零件等領域有著廣泛應用，因此受到國內外學術界、產業(yè)界的重視，成為新型工具和結構材料的研究熱點之一。鎢鈷類(WC-Co)硬質合金是該領域材料的研究主題，其中金屬鈷(Co)是合金材料韌性的前提，碳化鎢(WC)作為硬質相是材料高硬度的保證。但Co是一種昂貴而稀缺的戰(zhàn)略資源，且由于其特殊的物理、化學性能，在催化劑、電池、電子部件等領域的需求量也

2、在增加。此外，由于Co的低熔點、高溫時易軟化、高化學活性等特點使得合金材料的硬度和耐蝕性受到影響。因此，研制兼具高硬度和高韌性、原材料易得的新型復合材料，成為鎢鈷類合金的理想替代物，具有重要的戰(zhàn)略和經濟意義。
　　本文中，以氧化鎂(MgO)作為Co的替代材料，采用機械合金化法制備出具有納米結構的WC-MgO復合粉末以及運用熱壓燒結工藝獲得WC-MgO塊體復合材料。研究工作從分析復合粉末的燒結致密化過程開始，通過改善燒結體的顯微組織

3、結構來提高其力學性能，然后再考察該材料的腐蝕、磨損等性能。主要工作包括:研究復合粉末的燒結致密化過程;設計針對納米復合粉末的熱壓燒結工藝，系統(tǒng)觀察燒結過程中材料顯微結構變化;考察該復合材料的斷裂韌性;研究燒結試樣在酸性、堿性環(huán)境中的腐蝕和腐蝕磨損行為;探討燒結試樣的抗沖蝕磨損規(guī)律;比較添加晶粒長大抑制劑（碳化釩/碳化鉻）對燒結試樣組織和性能的影響等內容。主要研究結果如下:
　　1.對于具有納米結構的WC-MgO復合粉末而言，燒結溫

4、度和時間對其成型塊體的致密化程度有著重要影響。研究了該復合粉體在燒結過程中的致密化速率，運用主燒結曲線理論對該粉體在不同加熱速率下的致密度演化過程進行研究。結果表明:適合于WC-4.3wt.％MgO納米復合粉末的燒結溫度區(qū)間為1500℃-1800℃?；谌跓Y模型理論，建立了該納米復合粉體的主燒結曲線，并估算出該粉體的燒結激活能為361.8kJ/mol。經過多組重復實驗驗證該主燒結曲線的有效性。已建立的主燒結曲線可以預測復合粉體在不同

5、加熱速率或不同保溫時間條件下的致密度化速率和最終致密度，并且實現(xiàn)根據(jù)所需的最終致密度來制定相應的燒結工藝。
　　2.以同樣的納米復合粉末為研究對象，系統(tǒng)地分析不同熱壓燒結制度對燒結體的致密度和晶粒生長過程的影響，研究添加碳化釩(VC)和碳化鉻(Cr3C2)對燒結體的致密化過程、晶粒生長和力學性能的影響。實驗結果表明:綜合考量材料在燒結過程中的致密化程度與晶粒生長速率，確定了最佳的燒結制度為燒結溫度1650℃、保溫時間90min、燒

6、結壓力39.6MPa的真空條件。在此條件下可獲得致密度97.58％TD、維氏硬度15.43GPa、抗彎強度1065.3MPa的塊體燒結材料。添加一定量的VC/Cr3C2可以減緩燒結體的致密化速率并有效地抑制晶粒生長過程，促使晶粒生長時所需激活能從426.85kJ/mol增加至492.53kJ/mol，進而細化基體WC的顯微組織，提高MgO顆粒分布的均勻性以及顆粒與基體的結合性能，以致提高其宏觀力學性能。
　　3.以在最佳燒結制度條

7、件下獲得的塊體復合材料為研究對象，考察燒結試樣的斷裂韌性。研究燒結試樣的斷裂韌性受加載載荷變化的影響，準確地確定該材料斷裂韌性值并且分析其增韌機制。研究結果表明:在研究燒結試樣的壓痕斷裂韌性時，得出Niihara力學模型能夠較準確的估算此類新材料的壓痕斷裂韌性，對應硬度加載載荷為49N。結合斷裂力學模型分析發(fā)現(xiàn)，較小的第二相顆粒粒徑與均勻的第二相顆粒分布狀態(tài)使裂紋在該復合材料中擴展路徑加長，發(fā)生偏轉，產生一定的增韌效果。
　　4.

8、采用浸泡腐蝕和電化學腐蝕方法對不同成分燒結試樣在酸性(pH=1)和堿性(pH=13)環(huán)境下的腐蝕行為進行研究，探討添加VC/Cr3C2對WC-MgO復合材料耐蝕性的影響，考察燒結試樣在兩種腐蝕環(huán)境下的磨損規(guī)律，研究結果表明:在酸性溶液中，第二相MgO顆粒優(yōu)先被溶解，而基體WC保持穩(wěn)定，燒結體呈現(xiàn)出較好的耐蝕性和鈍化趨勢，鈍化膜是由WO3·H2O和WO3·2H2O組成，添加VC/Cr3C2后材料的耐蝕性得到提高。然而，在堿性溶液中，基體W

9、C受到明顯的腐蝕，基體與第二相界面被破壞，材料無鈍化現(xiàn)象，力學性能受嚴重影響，且添加VC/Cr3C2加速了材料的腐蝕速度。類似于耐蝕性的差異，燒結試樣在酸性環(huán)境中的耐磨性較高，且組織細化能夠提高其耐磨性;在堿性環(huán)境中燒結試樣的磨損量較高，且組織細化未能顯著的幫助材料減少磨損量。
　　5.以石英砂(SiO2)為沖蝕顆粒，考察不同沖蝕角度下燒結試樣的沖蝕磨損規(guī)律，建立一種微觀動力學模型以深入研究沖蝕條件和靶材的顯微組織對磨損機制的影響

10、。研究結果表明:WC-MgO復合材料的沖蝕磨損規(guī)律與陶瓷類材料類似，隨著沖蝕角度的增加，沖蝕磨損量也增加。靶材受顆粒沖蝕時材料表面發(fā)生沿晶斷裂和穿晶斷裂。添加VC/Cr3C2后，材料在各個角度的磨損量均有減少，且高角度(90°)沖蝕時其抗沖蝕能力的提高程度最為明顯?；谂ｎD力學定律和材料自身的性能（楊氏模量、屈服強度、拉伸強度和斷裂強度）建立了一種用于模擬WC-MgO復合材料沖蝕磨損行為的微觀動力學模型，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸和晶界強度對抗沖蝕磨

11、損能力有重要影響:只有當晶界強度足夠強時，晶粒細化才能發(fā)揮其正面有效的作用;當晶界強度很弱時，晶粒細化反而加速了材料的磨損。
　　本文中，作者以納米WC-MgO復合粉末及其熱壓成型技術為研究基礎，利用現(xiàn)代測試技術，對熱壓燒結成型的復合材料的物相、顯微組織、力學性能、腐蝕行為、腐蝕磨損和沖蝕磨損規(guī)律進行深入研究，探討晶粒長大抑制劑(VC/Cr3C2)對燒結試樣的組織和性能的影響，為WC-MgO復合材料的進一步研究和推廣奠定了堅實的基