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WC-Al₂O₃纳米复合粉末二阶段热压烧结工艺研究

作　者: 裴杨
导　师: 朱世根
学　校: 东华大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 二阶段热压烧结 WC-Al2O3 La2O3 Cr3C2 力学性能显微组织
分类号: TF124.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钨基硬质合金以优异的耐磨性、杰出的硬度以及良好的高温抗氧化性使它们现代工业领域得以广泛应用。纯WC粉末通常与粘结剂Co通过液相烧结合成。然而添加类似Co类的金属粘结相会导致硬度、抗腐蚀性以及抗氧化性的降低以及其在液相烧结中快速扩散导致晶粒长大。寻找新型原料,用成本低廉、制造工艺简便且具有高硬度和高断裂韧性的复合材料代替传统的WC-Co类硬质合金具有重大意义。本文研究以高能球磨机械合金化所制得WC-Al2O3复合粉末为原料,采用二阶段热压烧结法制备复合块体。首先将粉末坯体在压力条件下加热到一个较高的温度,获得相对致密的坯体结构,此时存在临界的可收缩气孔,然后使其保温在一个相对较低的温度,通过低温保温实现致密化的过程。由于烧结过程温度相对较低,晶粒长大被有效抑制。本文研究了烧结体性能随烧结温度、保温时间的变化规律,分析了烧结试样的相结构及显微形貌,探讨了烧结机理。实验结果表明：第二步热压烧结温度对WC-Al2O3复合材料性能影响较第二步保温时间大。WC-Al2O3纳米复合粉末通过二步热压烧结(T1=1600℃,T2=1450℃保温6h)晶粒度为3.28μm,同时成形致密度达到99.03%。维氏硬度和断裂韧性分别为18.36GPa和10.41MPa·m1/2,抗弯强度为1162.1MPa,相较于传统烧结有了显著提高。由于烧结温度不同从而导致物质传输机制差异。当T2=1400℃时,物质传输以表面扩散为主,长时间保温也无法致密；T2=1450℃时,晶界扩散为物质传输主要方式,晶粒长大被有效抑制,烧结体致密组织均匀；T2=1500℃时,晶界迁移速度较快,晶粒粗化。在二阶段热压烧结最佳工艺条件下,研究了不同含量添加剂La203和Cr3C2的作用。稀土La203有助于WC-Al2O3复合材料致密化,具有钉扎晶界、抑制颗粒粗化和改善结合面形貌的作用。复合块体的平均晶粒尺寸减小,组织致密,因而硬度和抗弯强度都较高。但是过量的La203会导致颗粒团聚且晶粒组织粗化,甚至出现气孔和疏松组织。过渡族碳化物Cr3C2除了钉扎晶界有效减少晶粒尺寸之外,由于其与微量氧优先于WC分解反应,从而有效地抑制了WC基体脱碳,大量减少了脆性相W2C的产生。有效地提高了复合烧结块体的强度。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-26
  1.1 课题研究背景  11
  1.2 硬质合金研究现状  11-17
    1.2.1 基础理论  11-14
    1.2.2 工艺设备  14-16
    1.2.3 产品开发  16-17
  1.3 课题研究目的与意义、内容  17-18
  1.4 研究理论依据与方法及其可行性  18-24
    1.4.1 传统热压烧结  18
    1.4.2 影响热压烧结因素  18-20
    1.4.3 增强补韧成份设计  20-23
    1.4.4 添加剂  23-24
  参考文献  24-26
第二章实验仪器设备、材料和方法  26-34
  2.1 实验材料  27
  2.2 实验条件  27-31
    2.2.1 球磨制粉  27-30
    2.2.2 热压烧结  30-31
  2.3 测试与表征  31-33
    2.3.1 组成与结构  31-32
    2.3.2 力学性能测量  32-33
  参考文献  33-34
第三章 WC-Al_2O_3复合粉末二阶段热压烧结  34-52
  3.1 一步温度确定  34-36
  3.2 二阶段热压烧结最优工艺参数确定  36-47
    3.2.1 二阶段烧结正交实验分析  36-39
    3.2.2 二阶段热压烧结对WC-Al_2O_3复合块体显微结构的影响  39-44
    3.2.3 热压烧结过程对WC-Al_2O_3复合块体物相的影响  44-45
    3.2.4 WC-Al_2O_3复合块体增韧机理分析  45-47
  3.3 二阶段热压烧结与传统热压烧结对比  47-50
  3.4 本章小结  50
  参考文献  50-52
第四章添加剂对WC-Al_2O_3复合粉末二阶段热压烧结影响  52-64
  4.1 稀土氧化物La_2O_3对WC-Al_2O_3二阶段热压烧结影响  52-57
    4.1.1 La_2O_3对复合材料力学性能的影响  53-55
    4.1.2 La_2O_3对复合材料微观形貌的影响  55-56
    4.1.3 La_2O_3对复合材料物相的影响  56-57
  4.2 过渡族金属碳化物Cr_3C_2对WC-Al_2O_3二阶段热压烧结影响  57-62
    4.2.1 Cr_3C_2对复合材料微观形貌的影响  58-60
    4.2.2 Cr_3C_2对复合材料物相的影响  60
    4.2.3 Cr_3C_2对复合材料力学性能的影响  60-62
  4.3 本章小结  62
  参考文献  62-64
第五章结论  64-65
攻读学位期间发表的相关论文  65-66
致谢  66

WC-Al2O3纳米复合粉末二阶段热压烧结工艺研究

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