納米WC、VC及其復合粉體的制備與塊體性能研究.pdf

1、WC-Co合金的抗彎強度和硬度隨WC晶粒尺寸減小而增加,當晶粒尺寸達到納米尺度時其力學性能將成倍增加,具有更高強度、硬度、耐磨性和斷裂韌性的納米硬質(zhì)合金,已成為當今超硬材料研究的重點。目前,制備納米硬質(zhì)合金的技術關鍵主要是:
　　1)簡化工藝,合成物相純凈、顆粒細小、組分均勻的納米硬質(zhì)合金粉體原料;
　　2)通過添加晶粒長大抑制劑及開發(fā)低溫、快速、加壓的燒結(jié)新工藝,防止WC晶粒在燒結(jié)過程中的長大。
　　本文提出一種簡便

2、、快捷、低成本制備納米硬質(zhì)合金材料的技術方法,將水熱法引入納米硬質(zhì)合金材料的制備工藝中,通過合成碳包覆核殼結(jié)構前驅(qū)體,經(jīng)原位反應得到了含晶粒長大抑制劑的WC-Co-VC等納米復合粉體,并利用粉末冶金技術制備了WC-Co、WC-Co-VC等合金塊體樣品。通過該工藝技術有效改善了復合材料混合均勻性,獲得了高質(zhì)量的納米硬質(zhì)合金粉體原料,同時,由于在前期引入晶粒長大抑制劑,彌散分布更均勻,更好地發(fā)揮抑制劑的作用,提高了的合金力學性能。論文系統(tǒng)研

3、究了納米WC及其復合材料的制備工藝、性能及機理,具體內(nèi)容如下:
　　1.研究了水熱合成碳包覆核殼結(jié)構前驅(qū)體的工藝條件及反應機理。結(jié)合SEM、TEM、HRTEM、FT-IR和XRD等分析手段,研究了幾種有機物水熱反應的碳化產(chǎn)率,以及碳化產(chǎn)物和形成核殼結(jié)構的形貌特征,篩選出可溶性淀粉為有機碳源;分別研究了水熱溫度、保溫時間、溶液pH值、分散劑、反應助劑等條件對產(chǎn)物的影響,結(jié)果表明,水熱反應時間、pH值及分散劑是影響金屬鹽形核產(chǎn)率和顆粒

4、大小的主要因素,而水熱溫度和反應助劑的添加量則主要影響有機碳源的碳化過程;分析了核殼結(jié)構的反應機理,得到了優(yōu)化的工藝參數(shù),合成了粒徑為30~60 nm的核殼結(jié)構球形顆粒。
　　2.采用原位反應法,將不同組分的核殼結(jié)構前驅(qū)體分別制備了WC、VC、WC-Co和WC-Co-VC等系列納米粉體,并研究了相關過程的工藝參數(shù)。根據(jù)熱力學理論,分析了反應體系的熱力學過程;依據(jù)熱力學分析結(jié)果設計反應路線,并系統(tǒng)研究了各工藝條件對產(chǎn)物的影響;在溫度

5、950~1000℃、保溫0.5~1 h條件下,分別制備出平均粒徑為40~80 nm的WC、VC、WC-Co和WC-Co-VC復合粉體。與傳統(tǒng)工藝相比,反應溫度降低了200~500℃,反應時間縮短了20~70 h,研究表明:
　　1)由于核殼結(jié)構前驅(qū)體中各反應原料混合均勻、接觸緊密,增大了反應物間接觸面積,縮短了反應原子的擴散距離,降低了反應活化能;
　　2)生成的Co單質(zhì)在碳化反應過程中充當催化劑,降低了反應活化能,使反應能

6、在較溫和條件下順利完成。
　　3.采用粉末冶金技術,分別將納米WC-Co和WC-Co-VC復合粉體燒制成塊體樣品,并研究了燒結(jié)溫度、保溫時間、VC添加量以及添加方式對產(chǎn)物顯微組織和力學性能的影響。結(jié)果表明,在溫度1260℃、保溫30 min條件下,得到WC-10wt％Co塊體樣品中WC平均晶粒尺寸為520 nm,維氏硬度(HV30)達1720 kg/mm2,抗彎強度達2035 MPa。在相同工藝條件下,添加 VC的WC-10wt％

7、Co-0.6wt％VC塊體樣品中 WC平均晶粒尺寸為280 nm,維氏硬度(HV30)達1830 kg/mm2,抗彎強度達2000 MPa,表明添加VC能有效抑制WC晶粒長大。與普通工藝制備相同成分的合金相比,本文樣品的硬度值提高了6％~8.6％,抗彎強度增大了16.7~18.3％％。
　　4.研究了WC晶粒的長大機制及VC抑制劑的作用機理。在液相燒結(jié)過程中,由于不規(guī)則的WC大顆粒界面具有較大的表面能,能為表面形核提供能量,溶解于