發(fā)布時間：2020-03-19 14:28

【摘要】：傳統(tǒng)硬質(zhì)合金是由均勻分布的碳化物陶瓷相骨架與金屬粘結(jié)相交錯形成的復(fù)合材料。其均勻結(jié)構(gòu)決定了傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的耐磨性和斷裂韌性兩者之間存在著此消彼長,難以同時提升的矛盾。傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的這一顯微結(jié)構(gòu)-宏觀性能的局限性嚴重限制了其在高硬度、難加工材料切削加工中的應(yīng)用。梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金為解決傳統(tǒng)硬質(zhì)合金耐磨性和斷裂韌性無法同時提升這一矛盾提供了一種有效途徑。目前,梯度硬質(zhì)合金的制備方法主要包括表面滲碳與表面滲氮兩種方法。相對于表面滲碳技術(shù),表面滲氮可以制備表面富立方相(Ti(CN))的特殊結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金,可以更大程度提升刀具切削性能。目前對于滲氮制備梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的研究主要集中在固相滲氮方面,所得的梯度表層以WC基硬質(zhì)合金為主,尚無法明顯提升其使用性能。而對于通過液相滲氮制備梯度硬質(zhì)合金的研究在國際國內(nèi)尚處于早期探索試錯階段,對于金屬粘結(jié)相的含量、類型、WC晶粒尺寸、滲氮工藝、尤其是氮氣壓強等關(guān)鍵材料及工藝因素對梯度結(jié)構(gòu)形成機理的研究尚未展開,也很少涉及對于滲氮處理過程中硬質(zhì)合金梯度結(jié)構(gòu)演變的熱力學(xué)與動力學(xué)理論,無法達到對梯度硬質(zhì)合金顯微結(jié)構(gòu)的精準控制,從而嚴重限制了梯度硬質(zhì)合金耐磨性-斷裂韌性優(yōu)化組合的巨大潛力。本研究基于當前梯度硬質(zhì)合金滲氮研究的現(xiàn)狀,深入探索滲氮過程中硬質(zhì)合金材料體系、滲氮工藝對硬質(zhì)合金梯度結(jié)構(gòu)演變的控制機理,集中研究材料體系中Co含量,不同粘結(jié)相,WC晶粒尺寸以及燒結(jié)工藝中的滲氮壓強等對梯度硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)的影響機制,揭示了梯度硬質(zhì)合金的材料成分、燒結(jié)工藝、梯度微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,系統(tǒng)建立了滲氮過程梯度硬質(zhì)合金熱力學(xué)與動力學(xué)理論模型,成功合成了具有特殊雙層結(jié)構(gòu)的梯度硬質(zhì)合金,并對雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金刀具的切削性能與摩擦磨損性能進行了深入研究。與此同時,本研究對雙層結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金刀具的CVD金剛石涂層工藝過程進行了重點探索。本研究發(fā)現(xiàn):(1)WC-TiC-Co硬質(zhì)合金材料體系可以通過在氮氣氣氛下液相燒結(jié)形成以Ti(C,N)基金屬陶瓷表層與粗晶WC基硬質(zhì)合金過渡層為特征的雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金,其中表層具有更高的硬度、耐磨性而過渡層具有更高的韌性,而且表層與過渡層的厚度與微觀組織可以通過材料設(shè)計及燒結(jié)工藝進行精確調(diào)節(jié)。這一雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金顯示出比常規(guī)硬質(zhì)合金更好的耐磨性和斷裂韌性組合。(2)在硬質(zhì)合金材料體系中,WC晶粒度、TiC含量及粘結(jié)相類型對滲氮工藝過程中梯度結(jié)構(gòu)的形成及演變具有關(guān)鍵作用。WC晶粒度的增加以及TiC含量的增加都明顯促進了表層富立方相的雙層梯度結(jié)構(gòu)的形成和生長,而Ni基粘結(jié)相相對于Co基粘結(jié)相可以更為顯著地增加金屬陶瓷表層的厚度。(3)滲氮工藝過程中氮氣壓強對于雙層梯度結(jié)構(gòu)演變的熱力學(xué)與動力學(xué)行為具有關(guān)鍵作用,隨著氮氣壓強的增加,雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金的表層厚度明顯增加。(4)基于雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)分析以及滲氮工藝過程中Ti原子在液體粘結(jié)相中擴散遷移的熱力學(xué)與動力學(xué)行為,本研究系統(tǒng)建立了雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金金屬陶瓷表層的向外生長模型。解決了金屬陶瓷表層的生長、表層與過渡層邊界遷移,以及過渡層與內(nèi)部組織邊界遷移的問題。闡明了硬質(zhì)合金材料設(shè)計-滲氮工藝-梯度顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金表層的向外生長模型首次精確揭示了表層厚度的平方與氮氣壓力的平方根以及滲氮時間成正比。(5)本研究所合成的雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金刀具比常規(guī)均勻結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金刀具的平均切削壽命明顯提高。(6)雙層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金基體上的金剛石涂層綜合性能要優(yōu)于均勻結(jié)構(gòu)WC-Co硬質(zhì)合金基體上的金剛石涂層�；陔p層結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金中梯度顯微結(jié)構(gòu)-滲氮工藝-宏觀力學(xué)性能-切削行為-涂層性能等研究成果,本研究顯著拓展了當前梯度硬質(zhì)合金顯微機理、力學(xué)性能、切削行為的關(guān)聯(lián)關(guān)系。本研究提供了新型的刀具材料體系、顯微結(jié)構(gòu)模型以及相應(yīng)的滲氮工藝參數(shù),為難加工材料的高效加工提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
【圖文】：

ＷＣ－ＴｉＣ－ＮｂＣ－ＴａＣ－Ｃｏ等硬質(zhì)合金，粘結(jié)相（Ｃｏ）的含量一般都不超過１０ｗｔ．％，這是逡逑由于涂層與基體的熱膨脹系數(shù)相差越大，會造成越大的熱應(yīng)力，越不利于涂層與基逡逑體的良好結(jié)合。如圖１－９所示，涂層與基體的熱膨脹系數(shù)越接近，越有利于涂層與逡逑１７逡逑

—陶瓷涂層逡逑硬＊合金基體逡逑圖１－９涂層與基體的結(jié)合示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－９邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｂｏｎｄｉｎｇ邋ｂｅｈｖｅｅｎ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ａｎｄ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑粘結(jié)相（Ｃｏ）的含量一般也不會低于５ｗｔ．％，這是由于當Ｃｏ含量太低時，會嚴逡逑重影響基體的韌性。如果脆性過大，在切削的過程中，涂層上產(chǎn)生的微裂紋容易向逡逑集體的內(nèi)部擴展，進而發(fā)生涂層的失效。因而，理想的基體既要滿足涂層過程中，逡逑即在硬質(zhì)合金塊體上通過化學(xué)反應(yīng)沉積薄膜的過程中對基體成分，結(jié)構(gòu)以及物理化逡逑學(xué)性能上的要求，還要滿足在使用過程中能提供良好的機械性能，，尤其是高溫時的逡逑機械性能。逡逑但均勻結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金有其自身存在的不足，均勻的微觀結(jié)構(gòu)與成分決定了均勻逡逑的物理化學(xué)以及機械性能，而有些性能之間是相互矛盾的，也就是會相互抵消的。逡逑在本文ＷＣ基硬質(zhì)合金基體研究中已經(jīng)闡述了
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG711

【參考文獻】

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1 俞力;袁伯雅;呂繼磊;諸躍進;;熱絲化學(xué)氣相沉積金剛石時溫度對YG6硬質(zhì)合金的影響[J];熱加工工藝;2017年06期

2 吳雁;李艷峰;張而耕;趙杰;;PVD涂層技術(shù)制備類金剛石薄膜及性能研究綜述[J];表面技術(shù);2016年08期

3 尹超;毛善文;;CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具研究進展[J];硬質(zhì)合金;2016年04期

4 張烈華;Zhigang Zak Fang;許林;;WC-Co硬質(zhì)合金表面滲碳強化工藝研究與應(yīng)用[J];金屬熱處理;2016年02期

5 簡小剛;陳軍;;Co元素對硬質(zhì)合金基底金剛石涂層膜基界面結(jié)合強度的影響[J];物理學(xué)報;2015年21期

6 徐銀超;陳康華;王社權(quán);陳響明;李園園;陳送義;;金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具涂層的研究和應(yīng)用進展[J];硬質(zhì)合金;2015年02期

7 倪海龍;;奏響切削刀具行業(yè)新樂章——記2014年度中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎項目“難加工零件高效精密切削刀具設(shè)計、制備與應(yīng)用”[J];中國科技獎勵;2015年03期

8 黃棟;;刀具涂層的介紹和應(yīng)用[J];汽車與配件;2014年49期

9 楊天恩;SUN Lan;熊計;GUO Zhixing;ZHENG Xiaoming;;Microstructure and Properties of Gradient Cemented Carbide with Nano-TiN[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition);2014年01期

10 戶海峰;徐鋒;左敦穩(wěn);趙云;;硬質(zhì)合金基體金剛石涂層沉積工藝研究[J];機械制造與自動化;2013年05期

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1 張輝;硬脆刀具材料的高溫摩擦磨損特性及機理研究[D];山東大學(xué);2011年

2 羊建高;梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的制備原理及梯度形成機理研究[D];中南大學(xué);2004年

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1 劉敬;CVD金剛石涂層刀具的制備[D];大連理工大學(xué);2015年

2 劉墨寧;硬質(zhì)合金表面過渡層/金剛石薄膜的制備與力學(xué)性能的研究[D];上海大學(xué);2015年

3 徐泓輝;金剛石涂層刀具硬質(zhì)合金基體顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系[D];沈陽工業(yè)大學(xué);2014年

4 金狂浩;涂層和基體對PVD涂層硬質(zhì)合金刀具高速車削高溫合金的影響[D];中南大學(xué);2012年

5 婁靜;微波燒結(jié)YG8硬質(zhì)合金的脫碳行為及其控制[D];中南大學(xué);2011年

6 熊碧軍;WC-Co硬質(zhì)合金的C/V/Cr離子注入表面改性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

7 方琴;超細WC-TiC-Co硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝及組織性能研究[D];西華大學(xué);2009年

本文編號：2590346