论文摘要
碳化钨钴（WC/Co）硬质合金,因其高的硬度、优异的抗氧化、良好的耐磨性和红硬性,已经成为主要的新型工具材料和结构材料之一。然而,WC/Co硬质合金存在的主要不足是:（1）它的主要粘结剂Co是一种稀有金属,资源短缺、价格昂贵;（2）传统工艺生产的硬质合金由于晶粒较粗大,通常硬度高而韧性差,已经不能满足集成电路加工等精密制造工业不断发展的需要。因此,有必要制备一种兼有高硬度和高韧性、原料易得的新材料,以代替目前的WC/Co硬质合金。采用行星高能球磨、热压烧结和放电等离子烧结的方法,制备高硬度、高韧性的纳米WC/MgO复合材料的研究工作。在研制过程中,通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、DSC等多种材料分析手段,系统地研究了元素组成、球磨工艺、烧结工艺对纳米WC/MgO复合粉体和块体材料的组织结构和最终性能的影响,对高能球磨过程中粉体合成反应的热动力学,以及块体材料的增韧机理等问题进行了深入探讨。主要研究工作分以下两大部分:第一部分,针对WO3-C-3Mg和WC-MgO两种不同体系,采用高能球磨方法,进行了制备纳米WC/MgO复合粉末的研究工作。研究表明,在氩气保护气氛下,两种粉末体系经过50小时球磨都可以实现机械合金化并最终合成WC/MgO,所制备的复合粉末平均晶粒尺寸在25-35nm之间,有大量100nm以下的颗粒存在。在对WO3-C-3Mg混合粉末的高能球磨过程的研究中还发现,球磨工艺条件对反应模式有很大影响,在不同的工艺条件下,WC/MgO复合粉末的合成可以按两种反应方式进行,即扩散反应和自蔓延反应,两者可以随球磨工艺参数的改变而转化。另外,还对WC-MgO混合体系的高能球磨过程进行了工艺参数的优化研究,并获得了有利于WC/MgO复合粉末晶粒和粒度尺寸细化的工艺参数。第二部分,用放电等离子烧结和热压烧结两种方法对高能球磨制备的纳米WC/MgO复合粉末进行烧结,并研究了烧结方法及工艺条件对块体材料性能的影响。（1）通过物相、显微结构和力学性能分析发现,与热压烧结制备的WC/MgO复合材料相比,放电等离子烧结制备的WC/MgO复合材料的物相更纯、晶粒度更细、力学性能更好。（2）研究了MgO含量对WC/MgO烧结块体性能的影响。发现第二相MgO的加入会阻碍晶界移动,抑制晶粒生长,而且随着第二相颗粒体积分数的增加,基体晶粒尺寸减少。当氧化镁含量为重量比8%时,WC/MgO复合块体的硬度和断裂韧性组合最好,进一步提高MgO含量,其硬度会下降。而且由于其颗粒的聚集程度增大,不能起到颗粒增韧的效果,断裂韧性反而降低。（3）系统研究了烧结压力和烧结温度等工艺参数对放电等离子烧结块体性能的影响。在适当的烧结温度下,烧结压力越大,复合材料的致密度越高,硬度和断裂韧性越好。烧结温度对复合材料的性能也有重要影响,烧结温度过低,烧结体的致密度较差,烧结温度太高,晶粒容易长大,相应降低烧结体的硬度和韧性。（4）分析确定了放电等离子烧结的最佳工艺。其优化结果为:当烧结温度为1650℃,烧结压力为70Mpa,氧化镁含量为8wt.%时,获得的纳米WC/MgO复合块体材料的硬度和断裂韧性最好,硬度可以达到17.78GPa,断裂韧性可以达到12.21MPa.m1/2。相对于常规非纳米WC/MgO粉体烧结出的块体材料的性能优势更为明显,表明纳米WC/MgO复合块体材料具有明显的纳米效应。与相同方法制备的WC-8wt.%Co(硬度为16.65GPa、断裂韧性为12.26MPa.m1/2)相比,WC/MgO复合材料具有良好的综合性能。以上研究结果对进一步研究WC/MgO复合粉末的球磨过程以及最终研究纳米WC/MgO复合材料的批量制备工艺奠定了较坚实的基础。
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相关论文文献
- [1].放电等离子烧结合成WC/MgO复合陶瓷断裂性能的研究[J]. 热加工工艺 2012(08)
- [2].反应高能球磨制备纳米WC/MgO复合粉末[J]. 材料与冶金学报 2009(03)
- [3].烧结工艺对纳米WC/MgO复合材料性能的影响[J]. 热加工工艺 2010(10)