發(fā)布時(shí)間：2021-07-09 22:57

　　WC-Co硬質(zhì)合金因高硬、耐磨而在切削、釆礦和耐磨零件等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)WC晶粒尺寸小于0.5μm時(shí)（即超細(xì)、納米晶WC-Co硬質(zhì)合金）,與普通硬質(zhì)合金相比,材料的硬度和強(qiáng)度顯著提高,其韌性也同樣會(huì)有所提升。因此,晶粒細(xì)化有助于改善硬質(zhì)合金的力學(xué)性能,從而延長其使用壽命。長期以來,有關(guān)硬質(zhì)合金性能改善方面的研究多關(guān)注于從粉體出發(fā),即通過采用超細(xì)納米粉體和合理燒結(jié)工藝來實(shí)現(xiàn)超細(xì)晶和納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的制備。然而,在合金制備過程中其致密性與晶粒長大之間往往存在較為復(fù)雜的交互作用,如何保證在燒結(jié)過程中致密化的同時(shí)抑制WC晶粒長大是提高合金性能以及保證合金質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。本文主要闡述了高溫液相燒結(jié)制備超細(xì)、納米晶WC-Co硬質(zhì)合金過程中有關(guān)致密化和晶粒長大機(jī)制之間的關(guān)聯(lián)性,從燒結(jié)工藝與添加劑兩方面介紹了近年來國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。燒結(jié)工藝具體分為常規(guī)燒結(jié)工藝（主要包括氫氣燒結(jié)、真空燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等）和快速燒結(jié)工藝（主要包括微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、高頻感應(yīng)熱燒結(jié)等）,對(duì)比了上述燒結(jié)工藝之間的不同以及總結(jié)了不同燒結(jié)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。在添加劑方面,重點(diǎn)介紹了過渡族碳化物和稀土元素... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報(bào). 2020,34(15)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

具有不同初始顆粒尺寸的WC-Co的致密化與溫度的關(guān)系[15]

在燒結(jié)超細(xì)、納米晶WC-Co硬質(zhì)合金的過程中，WC晶粒生長是不可避免的，特別是在燒結(jié)初期非�？焖賉16,18,20-23]。超細(xì)硬質(zhì)合金中晶粒長大方式主要有兩種:連續(xù)性晶粒長大和非連續(xù)性晶粒長大。其中，連續(xù)性晶粒長大時(shí)晶粒尺寸分布相對(duì)比較均勻，而非連續(xù)性晶粒長大時(shí)晶粒尺寸分布則比較分散，晶粒尺寸差異比較大。連續(xù)性晶粒長大的驅(qū)動(dòng)力是界面自由能的減小。液相燒結(jié)過程中的晶粒長大是一種Ostwald熟化過程，小顆粒由于高的化學(xué)勢具有高溶解度，在Co液相中熔解，達(dá)到WC?W+C溶解析出動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)液態(tài)Co中W、C原子過飽和而在粗顆粒上析出時(shí)，WC晶粒連續(xù)長大，從而減小系統(tǒng)的界面面積。而非連續(xù)性晶粒長大的原因可能是:(1)原始粉末中存在粗大的顆粒;(2)幾何或化學(xué)上的不規(guī)則性導(dǎo)致燒結(jié)過程中異常晶粒成核而優(yōu)先長大;(3)局部高碳;(4)晶粒長大抑制劑加入不足或分散不均勻;(5)非化學(xué)計(jì)量晶粒或區(qū)域提供局部晶粒生長的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，比如η相的形成與轉(zhuǎn)化[20]。Fang等[21]對(duì)比發(fā)現(xiàn)，納米晶粒在燒結(jié)過程中的前5 min已顯著長大，而該期間的晶粒生長對(duì)于在最終材料中實(shí)現(xiàn)納米級(jí)晶粒尺寸至關(guān)重要，表面擴(kuò)散是顆粒初始粗化的機(jī)制。McCandlish等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nanodyn公司生產(chǎn)的納米WC-10%Co(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合粉燒結(jié)到30 s時(shí)，WC晶粒已經(jīng)長大到200 nm，再經(jīng)過30 s后晶粒尺寸已經(jīng)增加到2μm。Schubert[18]指出，在加熱期間晶粒開始生長，這主要是由于粉末處于高勢能亞穩(wěn)態(tài)。Wang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，晶粒長大分為兩個(gè)階段:初始加熱時(shí)的快速長大階段和保溫時(shí)的正常晶粒長大階段。在初始加熱階段中，除了熔解再析出過程使晶粒長大外，聚團(tuán)體內(nèi)相鄰晶粒特別是取向相同的晶粒通過消除晶界而發(fā)生合并也是使晶粒長大的重要原因。在隨后的保溫階段，WC在液態(tài)Co中熔解后重結(jié)晶也導(dǎo)致了晶粒長大。

微波燒結(jié)是一種快速燒結(jié)新工藝，燒結(jié)過程中所需熱量主要來自微波電磁場中材料的介質(zhì)損耗，使材料在燒結(jié)過程中可以整體加熱至燒結(jié)溫度以實(shí)現(xiàn)致密化。與常規(guī)工藝不同，微波爐中鈷和游離碳吸收的微波轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部分子的動(dòng)能和勢能，材料內(nèi)外同時(shí)均勻加熱，其次在微波電磁能作用下，WC中離子的自由電子的動(dòng)能增加，使燒結(jié)活化能降低，擴(kuò)散系數(shù)提高，可以進(jìn)行低溫快速燒結(jié)[29]。因此，微波燒結(jié)能均勻加熱，且燒結(jié)時(shí)間更短，可以有效控制晶粒長大，使組織更均勻。微波燒結(jié)示意圖如圖3所示[30]。Agrawal等[31]采用微波燒結(jié)的工藝制備了超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)獲得的合金的晶粒要明顯小于常規(guī)燒結(jié)，同時(shí)晶粒尺寸分布更加均勻，這也使其力學(xué)性能有所提高。Breval等[32]通過對(duì)比兩種燒結(jié)工藝燒結(jié)WC-Co硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)在微波燒結(jié)硬質(zhì)合金樣品的Co粘合劑中幾乎沒有檢測到鎢原子(通過TEM測量并采用磁飽和確認(rèn))，而當(dāng)使用常規(guī)燒結(jié)方法時(shí)，大量(～20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鎢原子熔解到Co粘合劑中。因此，他們發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)工藝能夠在不使用晶粒生長抑制劑的情況下顯著降低WC的平均顆粒尺寸。研究還表明，微波燒結(jié)樣品的硬度比常規(guī)燒結(jié)樣品的硬度高1～5 GPa，耐腐蝕性比常規(guī)燒結(jié)樣品高約六倍。Bao等[33]采用微波燒結(jié)制備超細(xì)WC-8Co合金，燒結(jié)溫度為1 350℃，保溫5 min。結(jié)果表明，該工藝有利于抑制晶粒長大，但燒結(jié)過程中樣品表層容易產(chǎn)生脫碳相從而影響合金性能，他們通過在混料過程中摻入炭黑的方式來改善WC-Co合金的脫碳，當(dāng)碳添加量為0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)合金硬度和抗彎強(qiáng)度達(dá)到最高值，分別為93.2HRA和3 396 MPa。2.2 放電等離子燒結(jié)


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