WC-Co硬質(zhì)合金的微波燒結(jié)制備研究.pdf

1、本研究采用多模腔微波高溫?zé)Y(jié)爐成功制備了WC-8Co硬質(zhì)合金，通過(guò)和真空燒結(jié)對(duì)比，提出了微波制備硬質(zhì)合金的工藝特點(diǎn)和性能特征;以微波加熱的整體快速加熱和選擇性加熱特點(diǎn)為依據(jù)，分析了微波燒結(jié)硬質(zhì)合金的加熱特性以及其致密化規(guī)律;對(duì)微波燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)的表層脫碳現(xiàn)象及產(chǎn)生原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了解決表層脫碳的方法和依據(jù);對(duì)微波加熱條件下合金中WC晶粒粗化進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，首次提出了局部液相燒結(jié)機(jī)理（微波加熱過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)數(shù)隨機(jī)分布的熱點(diǎn)，熱點(diǎn)中

2、心的WC顆粒優(yōu)先發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和重排、優(yōu)先發(fā)生共晶反應(yīng)產(chǎn)生液相、優(yōu)先發(fā)生WC在粘結(jié)相Co中的溶解-再析出，以及優(yōu)先發(fā)生WC晶粒合并長(zhǎng)大），探討了硬質(zhì)合金在微波加熱過(guò)程中的致密化和合金化過(guò)程以及顯微組織演變的規(guī)律，最后初步分析了微波與硬質(zhì)合金壓坯的相互作用。通過(guò)研究本課題取得了以下重要結(jié)論:
　　(1)微波燒結(jié)具有真空燒結(jié)硬質(zhì)合金方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在微波加熱燒結(jié)硬質(zhì)合金時(shí)，試樣溫度能夠瞬時(shí)響應(yīng)微波的輸入功率，無(wú)熱慣性，有利于燒結(jié)工藝的控

3、制;而且微波加熱脫脂和燒結(jié)周期都比真空燒結(jié)大幅縮短，從而可以大幅減少能耗，提高能源利用率。此外，微波燒結(jié)制備的硬質(zhì)合金具有一致的硬度分布、良好的磁學(xué)性能和優(yōu)異的抗化學(xué)腐蝕性能。
　　(2)壓坯密度對(duì)微波加熱合金升溫速率的影響很小，而對(duì)硬質(zhì)合金單組元壓坯進(jìn)行微波加熱后發(fā)現(xiàn)，WC壓坯具有最高的升溫速率，Co壓坯在1100-1150℃時(shí)升溫曲線出現(xiàn)波動(dòng)，WC-8Co壓坯的升溫速率介于兩者之間。致密合金坯的升溫速率在高溫階段顯著滯后于壓坯

4、的升溫速率，而且經(jīng)過(guò)微波高溫處理后的致密合金坯發(fā)生嚴(yán)重變形。另外，對(duì)不同粉末粒度硬質(zhì)合金壓坯在微波條件下的致密化和組織演化過(guò)程進(jìn)行了研究。
　　(3)金相顯微組織和XRD分析表明在微波燒結(jié)WC-8Co硬質(zhì)合金過(guò)程中發(fā)生了表層脫碳現(xiàn)象，對(duì)原始WC粉末進(jìn)行微波高溫(1400℃)處理后發(fā)現(xiàn)有W衍射峰存在。微波加熱環(huán)境（裝料器皿和燒結(jié)氣氛）對(duì)制備的硬質(zhì)合金有重要影響，石墨器皿使合金中的孔隙難以通過(guò)表面排除;純氮?dú)夂偷浠旌蠚怏w對(duì)合金的表

5、層脫碳有促進(jìn)作用;氣氛中存在微量的甲烷就能造成合金表層嚴(yán)重滲碳;純氬氣不會(huì)造成合金表面脫碳，但純氬氣氣氛容易在高溫階段發(fā)生熱失控;壓坯在空氣中暴露后，會(huì)加劇合金表層的脫碳程度。
　　(4)通過(guò)補(bǔ)碳措施在一定程度上抑制表層脫碳現(xiàn)象的發(fā)生。在混料時(shí)添加炭黑的方法可以改善合金的脫碳現(xiàn)象，有利于合金力學(xué)性能的提高，超細(xì)WC-8Co(0.15μm)合金總碳量調(diào)整為6.08wt％時(shí)，硬度和抗彎強(qiáng)度分別達(dá)到93.2HRA和3200MPa;提高環(huán)

6、境碳勢(shì)可以避免合金表層脫碳，細(xì)晶WC-8Co(0.8μm)合金的抗彎強(qiáng)度可以提高到2053MPa;當(dāng)?shù)獨(dú)庵泻?vol％甲烷時(shí)有利于避免脫碳，普通晶粒WC-13Co(2.0μm)抗彎強(qiáng)度可以達(dá)到2850MPa;當(dāng)添加0.8wt％Ni粉寬化劑時(shí)普通晶粒WC-8Co(2.0μm)合金的抗彎強(qiáng)度提高了25％。
　　(5)對(duì)普通晶粒WC-8Co硬質(zhì)合金的微波燒結(jié)致密化過(guò)程和WC晶粒粗化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度為1300℃時(shí)合金的收縮

7、速率顯著增加;當(dāng)燒結(jié)溫度低于1280℃時(shí)，顯微組織中存在大量未發(fā)育完全的粉末細(xì)微顆粒，超過(guò)1300℃時(shí)，粉末顆粒已經(jīng)完全消失，晶粒完全呈現(xiàn)出棱柱形狀，繼續(xù)增加燒結(jié)溫度，WC晶粒尺寸開(kāi)始增加;通過(guò)Arrhenius測(cè)量計(jì)算，得到微波燒結(jié)WC-8Co硬質(zhì)合金WC晶粒的粗化表觀活化能為84.48kcal/mol，明顯低于真空燒結(jié)。通過(guò)微波燒結(jié)WC-8Co硬質(zhì)合金和真空燒結(jié)合金的顯微組織對(duì)比，提出微波致密化和合金化機(jī)理，即局部液相燒結(jié)機(jī)理，微波