WC-Al2O3納米復(fù)合粉末制備及燒結(jié)技術(shù)研究.pdf

1、硬質(zhì)合金因其具有高硬度、高強(qiáng)度、高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，在切削刀具、開采工具、石油與地質(zhì)礦山勘探、耐磨零件和精密模具等領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。WC-Co硬質(zhì)合金是該領(lǐng)域產(chǎn)品的主體，其中WC作為硬質(zhì)相是材料高硬度的保證，金屬Co是材料韌性的保證。但Co是稀有昂貴、不可再生的戰(zhàn)略性資源，且由于其優(yōu)良的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，在陶瓷、食品添加劑、催化劑、電池、電子部件等方面的需求量也迅速增加。另一方面，由于Co熔點(diǎn)低、化學(xué)活性高，高溫時(shí)

2、易軟化、易與其他元素發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散等，硬質(zhì)合金硬度和耐蝕性會(huì)受到影響。因此，研制兼具高硬度和高韌性、原料易得的新型WC基硬質(zhì)合金，以代替WC-Co，具有必要性和緊迫性。
　　 本文中，以Al2O3作為Co的替代材料，從粉末制備和熱壓燒結(jié)兩個(gè)方面開展制備WC-A;2O3復(fù)合材料的研究工作。研制過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了復(fù)合粉末的配方和熱壓燒結(jié)工藝，對(duì)復(fù)合粉末在球磨過程中的物相變化、球磨后納米復(fù)合粉末的熱力學(xué)、熱壓燒結(jié)過程中物相變化、燒結(jié)制度

3、及增韌機(jī)理、添加劑MgO和CeO2對(duì)燒結(jié)試樣的影響和二階段熱壓燒結(jié)制度進(jìn)行了深入的探討，主要研究結(jié)果如下:
　　 1.以WC和無(wú)定形態(tài)Al2O3為原料，利用機(jī)械合金化法和普通熱壓燒結(jié)法制備WC-Al2O3復(fù)合材料(WAl);通過物相分析研究球磨和熱壓燒結(jié)過程中Al2O3的相變，通過微觀組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試，研究熱壓燒結(jié)工藝和Al2O3含量對(duì)復(fù)合材料的影響，并探討其增韌機(jī)理。研究結(jié)果表明:球磨過程中，復(fù)合粉末不斷細(xì)化，無(wú)定形態(tài)A

4、l2O3未發(fā)生相變;在燒結(jié)過程中，Al2O3發(fā)生了相變，當(dāng)燒結(jié)溫度為961℃時(shí)，無(wú)定形態(tài)Al2O3和過渡形態(tài)Al2O3轉(zhuǎn)化為γ-Al2O3，當(dāng)燒結(jié)溫度為1100℃時(shí)，完全轉(zhuǎn)化為α-Al2O3;WC-40vol.％Al2O3復(fù)合粉末在燒結(jié)溫度為1540℃，保溫時(shí)間為90min，壓力為39.6MPa的熱壓燒結(jié)條件下獲得的綜合力學(xué)性能最好，其致密度可達(dá)97.98％，維氏硬度為18.65GPa，斷裂韌性為10.43MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度為7

5、56.34MPa;WC-Al2O3復(fù)合材料中增韌機(jī)理主要為第二相顆粒增韌機(jī)理、基體WC和第二相Al2O3顆粒熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力增韌機(jī)理和Al2O3相變?cè)鲰g機(jī)理;這些機(jī)理綜合作用使裂紋搭橋、偏轉(zhuǎn)，二次裂紋和側(cè)生裂紋增多，從而提高復(fù)合材料的韌性。
　　 2.以WC和α-Al2O3為原料，以3∶2體積比的配方，在燒結(jié)溫度為1540℃，保溫時(shí)間為90min，壓力為39.6MPa的熱壓燒結(jié)條件下制備WC-40vol.％α-Al2

6、O3復(fù)合材料(WA2);對(duì)比分析以不同種類Al2O3為原料制備的WC-Al2O3復(fù)合材料的微觀組織利力學(xué)性能，探討Al2O3相變對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響及其增韌作用。研究結(jié)果表明:WC-40vol.％α-Al2O3復(fù)合材料致密度為98.38％，維氏硬度為16.55GPa，斷裂韌性為8.52MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度為881.35MPa。WA1中AlOOH相變產(chǎn)生的少許水殘留在試樣中形成孔隙，是WA1致密度和抗彎強(qiáng)度較WA2低的原因;γ-

7、Al2O3向α-Al2O3的相變消耗系統(tǒng)能量，從而減少WC氧化脫碳的能量，是WA1中脆性相W2C的形成被抑制的原因;γ-Al2O3向α-Al2O3的相變過程有24vol.％的體積縮小，從而獲得較小的Al2O3顆粒，是WA1微觀組織的細(xì)化、維氏硬度和斷裂韌性較WA2高的原因;
　　 3.為提高WA1和WA2復(fù)合材料的力學(xué)性能，研究添加劑MgO和稀土氧化物CeO2對(duì)復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響及其機(jī)理。研究結(jié)果表明:添加MgO和

8、CeO2未能提高WA1復(fù)合材料的力學(xué)性能;而對(duì)于WA2復(fù)合材料，分別添加MgO和CeO2時(shí)，最佳含量均為0.1wt.％，二者均可起到提高復(fù)合材料的致密度、抑制晶粒長(zhǎng)大、改善顆粒之間的結(jié)合狀態(tài)的作用;另外，活潑的稀土元素吸附復(fù)合粉末中的雜質(zhì)氧，有效抑制WC的脫碳;CeO2在燒結(jié)過程中被還原成Ce2O3，并與Al2O3形成新的化合物，提高復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)同時(shí)添加0.05wt.％MgO和0.05wt.％CeO2時(shí)，WA2復(fù)合材料的綜合性

9、能達(dá)到最佳，致密度為99.04％TD，維氏硬度為18.18GPa，斷裂韌性為10.14MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度為1155.38MPa。
　　 4.依據(jù)WC-40vol.％α-Al2O3復(fù)合材料致密化速率和晶粒長(zhǎng)大速率的變化情況，設(shè)計(jì)合理的二階段熱壓燒結(jié)工藝;考察各工藝對(duì)試樣微觀組織和力學(xué)性能的影響并確定最佳燒結(jié)制度，探討二階段熱壓燒結(jié)對(duì)復(fù)合材料性能影響的機(jī)理。研究二階段熱壓燒結(jié)法和添加劑MgO、CeO2共同作用對(duì)WC-40vo

10、l.％α-Al2O3復(fù)合材料組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:TSS4燒結(jié)制度下(T1=1600℃，T2=1450℃，t2=6h)制備的WC-40vol.％α-Al2O3燒結(jié)試樣的力學(xué)性能優(yōu)于普通熱壓燒結(jié)制度CS1下（1540℃保溫90min）所得燒結(jié)試樣的力學(xué)性能。在TSS4和添加劑MgO、CeO2的共同作用下，WC-40vol.％α-Al2O3復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)一步提高，其致密度為99.42％TD，晶粒尺寸為2.92μm，維氏硬度

11、為19.22GPa，斷裂韌性為11.21MP·m1/2，抗彎強(qiáng)度為1236.78MPa，與熱壓燒結(jié)法制備的WC-Co硬質(zhì)合金的力學(xué)性能相當(dāng)。
　　 5.研究以WC和無(wú)定形態(tài)Al2O3為原料的WC-40vol.％Al2O3復(fù)合材料的二階段熱壓燒結(jié)工藝，探討Al2O3相變和二階段燒結(jié)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:Al2O3的相變?cè)诘谝浑A段燒結(jié)后即已完成，則該材料第二階段燒結(jié)開始時(shí)，起始顆粒尺寸較小，有利于獲得

12、勻細(xì)的微觀組織;以WC和無(wú)定形態(tài)Al2O3為原料的WC-40vol.％Al2O3復(fù)合材料的最佳二階段熱壓燒結(jié)工藝為TSS4(T1=1600℃，T2=1450℃，t2=6h);在TSS4制度下制備試樣的力學(xué)性能與CS1制度下制備試樣的力學(xué)性能相比，致密度從97.98％TD增加至99％TD，WC晶粒尺寸從2.79μm減小至2.38μm，維氏硬度從18.65GPa提高至19.71GPa，斷裂韌性從10.43MPa·m1/2提高至12MPa·m

13、1/2，抗彎強(qiáng)度從881.35MPa提高至1285.08MPa。
　　 本文中，作者率先采用無(wú)定形Al2O3和α-Al2O3代替Co，通過高能球磨、普通熱壓燒結(jié)法和二階段熱壓燒結(jié)法制備新型WC-Al2O3復(fù)合材料，利用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，對(duì)復(fù)合材料球磨和燒結(jié)過程中物相、熱力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化進(jìn)行表征，探討復(fù)合材料致密化和增韌機(jī)理，及添加劑對(duì)復(fù)合材料的微觀組織和力學(xué)性能的影響，為WC-Al2O3復(fù)合材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用奠定了