熱壓燒結(jié)WC-Al2O3復(fù)合材料工藝的研究.pdf

1、傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金主要是以鈷為粘結(jié)劑的鎢鈷類復(fù)合材料，因Co具有良好的潤濕性和粘結(jié)性來改善復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。但是，Co作為一種稀缺且昂貴的戰(zhàn)略金屬，全球儲量有限，另外Co在高溫下容易氧化。因此有必要尋找新型原料，用成本低廉、制造工藝簡便且具有高硬度和高斷裂韌性的復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的WC-Co類硬質(zhì)合金。
　　 早在上世紀(jì)六七十年代，有些學(xué)者就提出用Fe、Ni等金屬代替Co的硬質(zhì)合金研究，研究結(jié)果表明其腐蝕性有所提高，但是由于Fe

2、、Ni本身的一些因素限制使其力學(xué)性能比WC-Co合金要遜色。近些年來，有學(xué)者提出用TiC、ZrO2、MgO等陶瓷材料作為增強(qiáng)劑進(jìn)行研究，取得一些研究成果。
　　 Al2O3是一種耐高溫陶瓷材料，其中無定形態(tài)Al2O3在燒結(jié)過程中產(chǎn)生相變，并且相變過程是不可逆的。而χ-Al2O3、κ-Al2O3、γ-Al2O3、δ-Al2O3和θ-Al2O3都屬于過渡型Al2O3，他們之間的轉(zhuǎn)變僅僅是原子之間的位置變化，不破壞化學(xué)鍵，但是從γ-A

3、l2O3到α-Al2O3的相變是一個形核與長大的過程[8]，伴有化學(xué)鍵的重新組合，屬于重建式相交。由于WC與Al2O3間不存在化學(xué)反應(yīng)，且從熱力學(xué)角度講Al2O3的熔點相對較低，但兩相的熱膨脹系數(shù)相近(WC為3.84×106/K、Al2O3為8.8×10-6/K)。盡管對WC-Al2O3復(fù)合材料的研究很多，但是對于WC與無定形Al2O3復(fù)合粉末的制備和燒結(jié)研究，目前還未見報道。
　　 熱壓燒結(jié)是粉末冶金中的一種常用的燒結(jié)方法，設(shè)

4、備操作方便而且工藝成熟；熱壓燒結(jié)過程中，因加熱與對粉體施壓同時進(jìn)行，燒結(jié)裝置十分簡單，可以獲得致密度較高且性能優(yōu)良的材料。另外，熱壓燒結(jié)粉體不用添加成型劑，因此可以減少雜質(zhì)的引入。
　　 本課題的研究工作主要分以下幾個部分：
　　 1.確定無定形Al2O3在燒結(jié)過程中的相變過程。采用高能球磨法制備WC-Al2O3復(fù)合粉末，通過XRD和SEM對粉末進(jìn)行表征，并用Netzsch409P型同步熱分析儀對復(fù)合粉末進(jìn)行熱分析(DS

5、C-TG)，確定復(fù)合粉末中無定形Al2O3在燒結(jié)過程中的熱變化點，然后選取此熱變化點為燒結(jié)溫度點對復(fù)合粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)。對燒結(jié)后的試樣進(jìn)行XRD分析，以確定燒結(jié)試樣中的物相，從而確定復(fù)合粉末中無定形Al2O3的相變過程，其相變過程為無定形Al2O3→γ-Al2O3→α-Al2O3，并且在1100℃完成相變轉(zhuǎn)化為α-Al2O3。
　　 2.采用同樣的方法高能球磨制備WC-Al2O3復(fù)合粉末，然后對復(fù)合粉末進(jìn)行定參數(shù)的循環(huán)熱壓燒結(jié)，

6、并通過XRD和SEM燒結(jié)后的試樣進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)的表征；用Archimedes方法測算塊體試樣的致密度；對試樣進(jìn)行維氏硬度測量，取10次測量值的平均值作為試樣的硬度；利用維氏硬度的顯微壓痕估算斷裂韌性，分析燒結(jié)溫度和保壓時間對材料的致密度、維氏硬度和斷裂韌性的影響。結(jié)果表明：WC-Al2O3復(fù)合材料在燒結(jié)溫度為1540℃、保溫時間90min、壓力39.6MPa的條件下獲得致密且性能優(yōu)良的試樣，致密度達(dá)到97.98％、維氏硬度和斷裂韌性分別為

7、18.65GPa與10.43MPa·m1/2。WC-Al2O3復(fù)合材料具有高硬度與高韌性相結(jié)合的性能是由于兩相均勻分布，致密度高，裂紋出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和搭橋。
　　 3.在WC-Al2O3復(fù)合粉末中添加一定量的稀土氧化物Y2O3，高能球磨后將粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)。用XRD和SEM對粉末和燒結(jié)成型后試樣的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，測算密度，測量維氏硬度并估算試樣的斷裂韌性，分析Y2O3添加量的變化對試樣致密度、維氏硬度、斷裂韌性的影響。結(jié)果表明：WC