【摘要】：硬質(zhì)合金作為超硬、超耐磨材料在工業(yè)生產(chǎn)中有非常廣泛的應(yīng)用。為滿足其在極端工況下的服役要求,提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度、耐磨性、抗熱疲勞、抗熱震性、耐腐蝕性的是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在大量?jī)?yōu)化硬質(zhì)合金性能的研究中,通過固溶效應(yīng)來提高其性能受到越來越多的關(guān)注,例如(W,Ti)C固溶體可以有效地克服化學(xué)腐蝕以及切割過程中的擴(kuò)散磨損,(W,V)C可以提高硬質(zhì)合金的硬度和紅硬性等,但對(duì)VC、TiC同時(shí)固溶到WC中來增強(qiáng)硬質(zhì)合金性能的研究報(bào)道并不多。因此,本論文首先先運(yùn)用第一性原理對(duì)(W,V,Ti)C碳化物的固溶相圖進(jìn)行計(jì)算,然后對(duì)相圖中的穩(wěn)定固溶相的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算。我們篩選出具有優(yōu)化的力學(xué)性能的(W,V,Ti)C碳化物的成分,隨后針對(duì)計(jì)算給出的性能優(yōu)化區(qū)域,在實(shí)驗(yàn)上合成相應(yīng)成分的硬質(zhì)合金,詳細(xì)研究其成分、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐腐蝕性能、摩擦磨損性能并且研究力學(xué)性能與抗磨性能之間的關(guān)聯(lián)性。通過上述研究,得出以下結(jié)論:(1)第一性原理計(jì)算結(jié)果表明在富含Ti、V的(W,V,Ti)C碳化物中面心立方結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定相,而在富含W元素的(W,V,Ti)C碳化物中六方密堆結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定相。此外,從計(jì)算的力學(xué)性能可以看出少量的等摩爾比添加TiC和VC可以增強(qiáng)(W,V,Ti)C碳化物的楊氏模量和剪切模量。(2)以等摩爾含量比的形式向無粘結(jié)相WC基硬質(zhì)合金中添加1 at.%~5 at.%VC、TiC。VC、TiC與WC形成(W,V,Ti)C固溶體,而非復(fù)合物結(jié)構(gòu)。(W,V,Ti)C固溶體的固溶強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)無粘結(jié)相WC基硬質(zhì)合金力學(xué)性能的優(yōu)化十分顯著,尤其是硬度,由964.5 HV_(10)(未添加VC、TiC)上升至2533.4 HV_(10)(5 at.%VC、5 at.%TiC)。隨著VC和TiC的含量的不斷增加,硬質(zhì)合金的斷裂韌性不斷下降,但下降趨勢(shì)不明顯。在室溫下,以球盤往復(fù)式的對(duì)磨方式對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行干摩擦測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其摩擦系數(shù)和磨損率均隨VC和TiC的含量的升高而降低。磨損率由2.56×10~(-3)mm~3/Nm(未添加VC、TiC),下降至4.6×10~(-5)mm~3/Nm(5 at.%VC、5at.%TiC),下降幅度超過98%。未添加或微量添加VC和TiC的硬質(zhì)合金磨損機(jī)理以犁削、粘著磨損和磨粒磨損為主,高VC和TiC含量的硬質(zhì)合金磨損機(jī)理以晶粒的破碎拔出和表面開裂為主。(3)以等摩爾含量比的形式在WC-8wt.%Co硬質(zhì)合金中添加1 at.%~5 at.%的VC和TiC。WC、VC、TiC以固溶體的形式存在于硬質(zhì)合金中,而非復(fù)合物的形式。從微觀組織上看,硬質(zhì)合金的晶粒不斷細(xì)化,粘結(jié)相Co的自由程不斷減小。從性能上看,硬質(zhì)合金的硬度得到提升,由1709.3 HV_(10)(未添加VC、TiC)上升至2211 HV_(10)(4 at.%VC、4 at.%TiC),提升約29.4%。但隨著VC和TiC的含量的增加,斷裂韌性呈下降趨勢(shì)。在室溫下,以球盤往復(fù)式的對(duì)磨方式對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行干摩擦測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其摩擦系數(shù)與VC、TiC含量沒有太大的相關(guān)性,但其磨損率隨VC、TiC含量的增加而減小,磨損率由9.91×10~(-5)mm~3/Nm(未添加VC、TiC),下降至1.29×10~(-5)mm~3/Nm(4 at.%VC、4 at.%TiC),下降幅度約87%。未添加或微量添加VC和TiC的硬質(zhì)合金磨損機(jī)理以犁削、Co相的擠出和涂抹以及磨粒磨損為主,高VC和TiC含量的硬質(zhì)合金磨損機(jī)理以碳化物晶粒的破碎拔出和表面開裂為主。此外,VC、TiC使得WC-Co硬質(zhì)合金的耐腐蝕性能得到優(yōu)化,其耐腐蝕性能隨VC、TiC含量的增加而不斷增強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG135.5
【圖文】：

WC-VC-TiC 硬質(zhì)合金中 VC 和 TiC 的固溶效應(yīng)對(duì)組織結(jié)構(gòu)和性能的影響（5）高化學(xué)穩(wěn)定性，高耐酸堿腐蝕性以及高溫下的抗氧化能力；（6）低熱膨脹系數(shù)，通常為鋼的一半；（7）斷裂韌性較低。綜合以上特點(diǎn)，硬質(zhì)合金常被應(yīng)用于極端工況，諸如地質(zhì)勘探、石油鉆井、切削加工、礦山開采、磨料等需要高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性的領(lǐng)域。從其應(yīng)用領(lǐng)域上看，硬質(zhì)合金產(chǎn)品可以分為三大類，即切削刀具、耐磨零件、礦用工具。在切削刀具方面的應(yīng)用主要為用于切削金屬、石料、玻璃、塑料等材料的銑刀、車刀、刨刀等。在耐磨零件方面的應(yīng)用主要有發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)襯、噴嘴、密封件、用于金屬成型和制造模具以及軸承等。硬質(zhì)合金的應(yīng)用如圖 1.1 所示。

理目前沒有一致的說法，主要有以下三種觀點(diǎn)[22,23]：(1)溶解理論，燒結(jié)過程中 VC 優(yōu)先溶解于 Co 相中，使得 WC 在 Co 相中的溶解度下降，進(jìn)而降低了 WC 通過液相再結(jié)晶長(zhǎng)大速率；(2)吸附理論：WC 的表面能由于 VC 吸附在 WC 顆粒表面而降低，其在 Co相中的溶解度也隨之降低；(3)偏析理論：VC 會(huì)沿 WC/WC 界面發(fā)生偏析，阻礙 WC 界面的遷移，進(jìn)而阻止 WC 顆粒發(fā)生 Ostwald 熟化。李海艷等人[24]針對(duì)VC對(duì)WC-6.5wt.%Co硬質(zhì)合金組織和性能的影響進(jìn)行研究表明，VC 對(duì) WC-6.5 wt.%Co 硬質(zhì)合金的晶粒細(xì)化作用非常顯著。如圖 1.2 所示，未添加 VC 的硬質(zhì)合金晶粒較為粗大，僅添加 0.5 wt.%的 VC 后，硬質(zhì)合金晶粒明顯細(xì)化，繼續(xù)增大 VC 加入量，硬質(zhì)合金晶粒繼續(xù)細(xì)化。

WC-VC-TiC 硬質(zhì)合金中 VC 和 TiC 的固溶效應(yīng)對(duì)組織結(jié)構(gòu)和性能的影響1350℃燒結(jié)，(e) ~ (h)為 1400℃燒結(jié)，VC 含量：(a)和(e)為 0 wt.%，(b)和(f)為 2.5wt.%，(c)和(g)為 5 wt.%，(d)和(h)為 7.5 wt.%。由圖可知隨著 VC 含量的增加以及燒結(jié)溫度的上升，硬質(zhì)合金的孔隙度也會(huì)同時(shí)增加。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2755319