不同粒度wc粉对wc-6co-04(cr3c2_tac)硬质合金组织和性能的影响_毕业论文(编辑修改稿)

不同粒度wc粉对wc-6co-04(cr3c2_tac)硬质合金组织和性能的影响_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

25 湖南工业大学本科毕业论文 1 第 1 章 绪 论 前言 硬质合金是以高硬度难熔金属的 碳化物 （ WC、 TiC、 Cr3C2)为基体，以铁族金属钴（ Co）、镍（ Ni）、铁（ Fe）为粘结剂，用粉末冶金方法制造的在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的一种多相组合材料 [1]。 硬质合金作为一种高效工具材料，自问世迄今70 多年间已取得了惊人的成就，由小规模生产发展成完整的工业体系。 硬质合金 因为具有高弹性模量、高硬度、高耐磨性、良好的红硬性和耐酸、耐碱、抗氧化性以及低线膨胀系数等特性，使得它在当今的工具材料、耐腐蚀材料方面显示出极大的优势。 因为它的耐磨性和极高的硬度，使得材料在 500℃ 乃至 1000℃ 的温度下也 可以 维持其性能不变。 硬质合金 的用途非常 广泛 ，一般用于刀具材料 等。 课题的目的和意义 硬质合金的硬度 随 硬化相含量 升 高、晶粒 变细而增大， 粘结金属含量 越大 硬质合金的韧性 越好 ，抗弯强度越大。 本 课题主要是研究 WC 粒度 对 WC6%(Cr3C2/TaC)硬质合金的组织和性能（抗弯强度、硬度、矫顽力）的影响。 硬质 合金 可以根据 WC 平均晶粒度 分为： 超粗晶粒硬质合金 ，粗晶粒硬质合金，中晶粒硬质合 金 ，细晶粒 硬质合金 ，超细晶粒硬质合金；亚微 米晶粒硬质合金 ， 纳米晶 粒硬质合金。 超细晶粒硬质合金 抗弯强 度的增强，其磨粒磨损 性能和硬度的提高，是其得到快速发展的主要原因。 一般的 超细晶粒合金 都 有 高红硬性 、 高硬度、高耐磨性、 高强度等性能 ， 通常在高负荷和疲劳性能要求不高时使用。 亚微米晶粒合金特别适合用于适当使用温度下的高应力磨 损，而又要求锐利、刚 性好的工具。 和细晶粒合金相比 ，粗晶粒合金具有更好的强度和断裂韧性，适合于在较高工作温度条件下使用。 因此，制备矿用合金的趋势是增大 WC 晶粒度， 降低合金的 Co 含量，这样就可以 获得好的 断裂韧性和 强度，以及高温性能。 研究表明，在相同 Co 含量条件下，提高 WC 的晶粒 度，可提高 合金的 硬度、矫顽力和 断裂韧 性 同时也会降低抗弯强度。 低 Co 粗晶粒硬 质合金 同 时具有高的导热率、低的膨胀系数和较好 的断裂韧性，因而能满足一些特殊的使用要求。 同时 合金高的热导率、低的热膨胀 系数、好的高温磨 损性能、高的横向断裂强度和高的断裂韧性性能有 利于改善合金表面 微观剥落与微观断裂，以及高温磨粒磨 损等 失效形式。 通过研究可以充分了解不同粒度 WC 对硬质合金性能的影响，从而采用合适的 WC 粒度制造出满足客户要求的各种不同性能的产品。 湖南工业大学本科毕业论文 2 发展状况与前景 随着电子、宇航、现代军工尖端技术的进步 ,加工难度越来越大 ,精度要求越来越高 ,促使硬质合金向着超 细粒度、高纯度、高精度、高性能方向发展 [4]。 正是现代科研成果开发出的高新技术与设备在硬质合金生产上的应用 ,才使得涂层、超细等“双高”性能的优质合金得以问世并投产。 硬质合金是脆性材料，其硬度和强度之间存在着矛盾：硬度高则强度低，而强度高则硬度低。 突破这一技术瓶颈，一直是人们努力的方向。 研究表明，除组分本身的特性之外，硬质合金的微观结构，对其硬度和韧性起到决定性的作用。 国外 新型硬质合金 向 超粗、特粗晶粒 方向发展。 它们相对于以往 的中、粗颗粒硬质合金 来说 ， 在含有相同量的 Co 时 ， 可 以达到很高 的断裂韧性与红硬性 ，并 且体现出 较好的抗热冲击性 和 抗热疲劳 性 能。 而一般 软岩的连续开采 都是在 极端 的 工 作条件下进行的，因此它们起到了相当大的作用。 除此之外 ， 对于 要求较高的冲压模 和 轧辊 ，它们也是不错之选 ， 超粗和特粗硬质合金具有非常好的前景。 WC 粉末 粒度 表示 及分析 方法 所谓粒度就是以 mm 或 μm 表示的颗粒的大小，简称粒径。 通常球体颗粒的粒度用直径表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。 对不规则的矿物颗粒，可将与矿物颗粒有相同行为的某一球体直径作为该颗粒的等效直径。 分散体系和粉末中颗粒的粒度和比表面（单位体积或单位质量分散相所具有的表面积 ）决定着分散体系和粉末的性质，因此粒度的测量在材料科学的研究中是一种最基本的测量。 由于组成粉末的无数颗粒一般粒径不同，故又用具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量表示粉末的粒度组成，又称粒度分布 [1]。 因此严格讲，粒度仅指单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末体，但是通常说的粉末粒度包含有粉末的平均粒径的意义，也就是粉末的某种统计性平均粒径。 粉末 粒度 组成的表示比较麻烦，应用也不太方便，许多情况下只需要知道粉末的平均粒度就行了。 由符合统计规律的粒度组成计算的平均粒径称为统计平均粒径，是表征整个粉末体的一种粒度参 数。 对于粒度的测试方法应根据粉末粒度范围、颗粒的形态材质以及测试的目的等不同要求而确定。 目前，粉末粒度的测试方法主要有以下几种测试方法： ① 筛分法； ② 显微镜法（ SEM 或 TEM）； ③ 离心沉降法； ④ 激光散射法； 湖南工业大学本科毕业论文 3 硬质合金硬度 金属硬度检测主要有两类试验方法。 一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。 压痕投影面积 、压痕的深度 或压痕凹印面积的大小 会反应 硬度的 大小。 布氏、 韦氏、 洛氏、 努氏、巴氏、 维氏 的测试方法是 静态试验 测试法。 应用非常多 的 是 布、洛、维 这三种 ， 在检测金属硬度时一般都采用这 三种。 在产品 检 测时我们习惯用并且用的最多是 洛氏硬度。 此外， 肖氏和里氏硬度 属于 动态试验法 ，这 是因为在 试验 过程中，我们所 施加 的力 是动态 和冲击性的。 对于大型和不方便 移动 产品的 ，我们通常用动态测试方法。 这里对于 YG6 试样硬度测试采用洛氏硬度测试方法。 抗弯强度 硬度高、耐磨性好 是 硬质合金 的主要特点，这些优点使得它被广泛用于 冶金、矿山 的 开采、 纺织、 化工领域。 但是 材料脆性较大 是 硬质合金 的主要缺陷 ， 这就要求我们充分认识它的抗弯强度等性能。 目前我们并没有在报刊发表有关硬质合金抗弯强度分散性研究的报道，但是我们了解到 ，材料的 强度分散性 会随 脆性 的增大而增大。 在材料中 的碳化物以及粘结相的种类和 含量 、 热处理工艺、 烧结工艺、组织缺陷 会影响材料的抗弯强度。 研究发现，材料表面状态和应力发布也会对硬质合金的抗弯强度造成影响。 矫顽磁力 硬质合金中含有铁磁性物质钴，因而使硬质合金具有铁磁性材料的特性。 用磁场将硬质合金试样磁化，去掉外加磁场后，合金中仍保留一定的剩磁，必须加一个方向相反的磁场， 此磁场强度称为矫顽磁力。 影响硬质合金矫顽磁力的因素有 碳化钨晶粒度、碳平衡、钴含量、研磨时间 [9]。 在晶粒度一定时，矫顽磁力随粘结相钴含量的 增加而下降；当合金中的钴含量一定时，钴相 的 分散程度 是影响矫顽磁力的主要因素 ， 主要通过 合金中的碳含量 和碳化钨晶粒度起作用。 当合金中钴相含钨量减少 ， 并且碳含量增加时， 矫顽磁力 也会随之 降低。 在合金中出现 含碳量不足 的情况时， 非磁性 的 脱碳相 会生成 , 减少了 磁性钴的含量 , 并且使钴相的分散程度变大 , 细化了碳化钨晶粒尺寸 ,从而 矫顽磁力 也随之 增大。 矫顽磁力也会随合金中钴相的分散度增大和 碳化钨晶粒 尺寸的变细而 增大。 最后，如果适当的提高烧结温度，可以使合金 矫顽磁力 降低。 湖南工业大学本科毕业论文 4 第 2 章 实验过程及 方法 实验 原料 为了研究 三种不同粒度 WC 对 YG6 硬质合金组织和性能的影响。 通过混料、压制、烧结等基本的粉末冶金工序，得到硬质合金试样，磨制金相试样，进行显微组织分析，测定其抗弯强度、硬度和矫顽力。 为了便于分析和提高试验的准确度，对每种晶粒大小的 WC 硬质合金产品分别做三个相同的试样，分为 3 组，分别为牌号为 YG6X（序号为 3）、 YG6（序号为 6）、 YG6C（序号为 9）的三组 9 个试样。 实验所用的主要原料是 WC、 Co 粉，其粉末的技术条件如表 、 所示 ，其次还有 无水 酒精 、 Cr3C2/TaC 晶粒长大抑制剂 、成型剂（石蜡） ，有时还可以有 CK 料、炭黑、油酸（起分散作用）等。 (1)混合料配 比 钴粉： 6% WC 粉： % Cr3C2/TaC： % 计算公式为： 100d xydw c dco  （ ） 试中： d— 合金的理论密度，克 /厘米 3 dWC— 碳化钨的密度（取 ），克 /厘米 3 dCo— 钴的密度（取 ）。 克 /厘米 3 x— 碳化钨的含量 ， ％ ； y — 钴的含量， ％。 由上式可以求得硬质合金 YG6 的理论密度为 g/cm3 模具尺寸为： 6 .1 m m 6 .1 m m 4 2 .4 m m 所以单重 M 0 .6 1 0 .6 1 4 2 .4 1 5 .0 2 3 .6 7    g 其中压制 9 个 单重 M 9 213   g ， 所需 WC 2 1 3 9 3 .6 % 1 9 9 .4  g， Co= 表 WC 粉末的技术条件 [2] 组号 总碳 游离碳 Ca Si Fe Fsss， μm 1 177。 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ 2 177。 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ 3 177。 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ 湖南工业大学本科毕业论文 5 表 Co 粉末的技术条件 [2] Co， % Ni， % O， % C， % Fe， % 松装密度 g/c m 3 Fsss， μm ≥99 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ ≤. 表 Cr3C2 粉末的技术条件 总碳 游离碳 Ni Si Fe Fsss， μm 177。 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ (2)配料 原则 为 ① 所使用的原辅助材料必须满足技术条件的要求， 按合金成分配料。 ② 按合金组织晶粒度要求 选择原 料粒度。 一般 根据的原则为 WC 原始晶粒度与烧结后合金晶粒度相等。 ③ 碳氧平衡 如果 WC 的总碳不能满足配料要求，可采取在湿磨的混合料中加入炭黑或钨粉。 加钨粉应按下列规则进行：钴含量大于 10%， 加钨粉量不大于 %，钨粉越细越好，粒度小于 1～。 (3)添加剂的主要作用 [6] ① 可以使 碳化物晶粒的长大 得到抑制 ，降低合金性能对烧结温度和时间的敏感性； ② 降低碳含量变化对合金性能影响的敏感性； ③ 改变合金相成分和钴相成分，改善合金性能； ④ 可以 提高合金的耐热性和抗月牙注磨损的能力。 (4)成型剂（石蜡）主要作用 ① 将难熔金属硬质化合物（碳化钨、碳化钽等）、粘结金属（钴粉或镍粉）及少量添加剂（ 硬脂酸或依索敏 ），经过配料，在己烷研磨介质中进行混合和研磨，添加石蜡的料浆， 再经真空干燥 （ 或喷雾干燥 ）、过筛、制粒、制成掺蜡混合料； ② 掺蜡混合料经鉴定合格，经过 精密压制，制成高精度压坯； ③ 压坯经真空脱蜡烧结或低压烧结， 制成硬质合金。 实验设备 实验中主要设备和仪器有 行星球磨机 ， YH4125C 液压机 ，脱蜡烧结气氛控制一体炉， 93— I 型矫顽磁力， 洛氏硬度计， 抛光机 ， 8Vms20xx 型金相图象分析系统。 试样制备过程 准备实验所需样品原料，工艺流程如下： 一定量的 WC、 Co 粉 +酒精 → 湿 磨 → 干燥 → 过筛 → 掺胶 → 压制成型 → 烧结 → 性能湖南工业大学本科毕业论文 6 测试 湿磨 湿磨的目的是将碳化物研磨至所需粒度 ,并与钴粉在一定范围内实现充分均匀混合 ,并具有较好的压制和烧 结性能。 将按一定比例配好的由钴粉 、 WC 粉 、 晶粒长大抑制剂 Cr3C2/TaC等物料加入湿磨机 进行球磨。 在湿磨过程中 ,只有破坏并分散颗粒团聚 ,确保物料被充分 破碎 和分散 ,才能保证粉末组元之间的有效混合 ,为喷雾干燥制粒提供高质量的混合物料。 目前 ,主要有滚动球磨和搅拌球磨这两种湿磨方式。 此实验我们采用滚动球磨。 其中 影响湿磨程的基本因素有： ① 磨筒转速 球体的运动状态是随筒体的转速而变的。 实践证 明 [1] =~ 临 界时，球体发生抛落； = 临 界 时，球体滚动； 工 临 界 时，球体以滑动为主。 球的不同运动状态对物料的粉碎作用是不同的。 因而，在实践中采用 = 临 界 使球体产生滚动 来研磨较细物料；如果物料较粗、性脆，需要冲击时，可采用 =~ 临 界的转速。 球磨机的临界转速 一般用下式表 示 [1]： 临 界 （ ） 式中 :n临 界 磨筒的临界转速 ， r/min。 D 球磨筒内径， m。 球磨过程中 ,球磨机的转速必须小于临界转速 ,才能使研磨球不紧贴着筒壁转动而与筒壁产生相对运动。 ② 装球量 在 一定的范围内增加装球量可以提高研磨效率。 在转速 固定时，装球量过少，球在倾斜面上主要是滑动，使研磨效率降低；但当 装球量过多 时 ， 会使 球层之间 相互造成较大干扰 ， 从而使 球的正常循环 遭到破坏 ， 降低 研磨效率。 我们通常根据随球磨筒的容积来确定 装球量的多少， 装填系数是装球体积与球磨筒体积的比值， 一般球磨机的系数 为 ~ ， 当 转速增大 时，其值可相应有所 增加。 装填系数 B  装 球 体 积 / 球 磨 筒 体 积 （ ） ③球的大小 通常筒中的球体大小会影响物料的粉碎程度。 当采用的球直径太大或装球量不足时，会减少磨削面积和撞击次数，降低球磨效率；当采用的球体质量太轻，并且球的直径过小，则会使球对物料的冲击力变小 [1]。 一般是大小不同的球的配合使用，球的直径一般按一定的范围选择 : (1/18~1/2 4)dD （ ） 湖南工业大学本科毕业论文 7 式中： D 球磨筒内径。 因为 材料的硬度会随物料的原始粒度的增大而增大 ， 因此通常选大一点的 球。 在一般情况下用 5~ 10mm的硬质合金球研磨硬质合金混合料， 选用 10 ~ 20mm大小的钢球 来研磨铁粉。 研磨 WCCo 混合料 时 用 5~ 10mm的 球 ,多数情况 用 12 ~ 18mm的球 来研磨 WCTiCCo。 这里选用 12~ 18mm的球来进行研 磨。 ④ 球料比 球与料的比例 是研磨过程中应该十分注意的。 当 料 的量 太少 时 ， 会增加 球 体 之间的碰撞 几率 ， 造成 磨损 增大 ； 如果装 料 太 多， 会减少 磨削面积， 要得到同样细的粉料则会增加 研磨时间，消耗 更大的能量。 此外 ， 不能把 料与球装得 太 满 ，否则会降低 球磨效率。 通常是使 球间的空隙 填满并且使 球体表面 稍微掩盖住 为原则 ， 生产中一般采用 3:1 或 4:1 的球料比。 ⑤ 研磨介质 湿磨介质必须具有很高的纯度 ,与混合料不发生任何化学作用 ,沸点低 ,一般于100%左右能挥发除去 ,且要求其表面张力小 ,不结团 ,无毒 ,无副作用 ,操作安全。 通常采用的湿磨介质为酒精、丙酮、己烷。 采用酒精时， 一般固液比为 1:3。 具体采用何种湿磨介质 ,可根据生产厂家具体情况来选择。 ⑥ 研磨时间 在各组元达到均匀混合以前 ,它们混合的均匀程度和碳化物颗粒的粉碎程度都随湿磨时间的延长而提高 ,合金的各项性能亦随之改善。 但切削试验表明 ,较长的湿磨时间对 YG6 合金性能并无多大的好处。 在一定的工艺条件下 ,过分延长湿磨时间则磨碎效率随之降低 ,碳化钨晶粒在烧结过程不均匀长大的倾向随之增大 ,因而使合金性能变坏。 如果需要制取晶粒很细的合金 ,则必须采用粒度较细的 原始碳化钨 ,或者添加其它碳化物。 根据上面的影响因素并且 按实验要求设定湿磨时间、湿磨机转速等参数分别如表 所示。 表 湿磨工艺 牌号 湿磨机转 速 /分 硬质合金球 装料量 /g 酒精加量 /升 研磨时 间 /小时 φ （ mm） 重量 /g YG6X 36 12～ 18 750 163 96 YG6 36 12～ 18 750 213 36 YG6C 36 12～ 18 750 233 24 干燥 混合料干燥与制粒的方法有很多，国内常用的有：振动 蒸汽干燥、喷雾干燥、双圆。