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强流脉冲离子束辐照改性WC-Co硬质合金强化机制研究

作　者: 郭甲
导　师: 朱小鹏；雷明凯
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料表面工程
关键词: 强流脉冲离子束 WC-Co硬质合金辐照重熔硬质相冲击强化
分类号: TG135.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

利用TEMP-6型强流脉冲离子束（HIPIB）装置,产生加速电压300-350 kV,脉冲宽度70 ns,束流密度300 A/cm²的C⁺和H⁺离子束。利用HIPIB辐照的强化作用,实现了WC-Co硬质合金的表面改性,改性的硬质合金表面形成的连续、致密的新相重熔层,耐磨损性能显著改善,进一步提高了硬质合金的使役寿命。采用束流密度300 A/cm²,辐照次数1-10次的HIPIB辐照WC-Co硬质合金。1次辐照表面即发生明显的重熔和择优烧蚀现象,并导致包括含Co化合物相Co₃W₉C₄等新相的形成。随着辐照次数的增加,反复重熔与烧蚀导致辐照表面形成碳化物硬质相球状和条状凸起、并逐渐联结成网络状结构,表面粗糙度（R_a）连续增大——由原始的0.29μm显著增至10次辐照的1.72μm,表现为50-100μm较大区域起伏的粗糙化和微区光滑化及致密化的形貌特征。辐照表面的硬度连续增加,由原始的17.4 GPa增至10次辐照后的20.2 GPa,增加了约15%。HIPIB辐照改性作用导致了WC-Co硬质合金表面形成连续、Co元素均匀分布的硬质新相重熔层,并显著改变其表面形态、形成了硬质相的网络状凸凹三维结构。采用载荷40kg、滑动速度0.42m/s的环块式滑动摩擦磨损实验方法,测试了HIPIB辐照改性WC-Co硬质合金的磨擦学性能。随着辐照次数的增加,改性硬质合金的摩擦系数略有减小,由原始的1.0降低到10次辐照条件下的0.8;磨痕宽度和深度则明显变小,由原始的2.05 mm和29.0μm减小到10次辐照条件的最小值1.64 mm和16.7μm;磨损率则相应地从5.77×10^-7mm³/N·m降至1.92×10^-7mm³/N·m,降低了约65%。HIPIIB辐照改性WC-Co硬质合金发生了显著的重熔和烧蚀,导致硬质合金Co粘结相与WC反应生成了Co₃W₉C₄等新相组成的连续重熔顶层,同时产生了及远大于熔区的深层冲击硬化现象,不仅显著提高硬质合金的表层硬度,而且增强了WC颗粒与Co粘结相结合强度,是造成耐磨性大幅度提高的主要原因。此外,改性表面的硬质相网络状凸凹结构在摩擦过程中起到了支撑、散热和“吸收”磨屑的作用,有利于提高其耐磨减摩性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 强流脉冲离子束及其与材料的相互作用  9-13
  1.2 硬质合金表面处理的研究进展  13-15
  1.3 本文的研究目的与内容  15-17
    1.3.1 研究目的  15-16
    1.3.2 研究内容  16-17
2 实验材料、工艺及分析方法  17-21
  2.1 实验材料  17
  2.2 强流脉冲离子束辐照装置与工艺  17-20
    2.2.1 TEMP-6型强流脉冲离子束装置  17-19
    2.2.2 辐照工艺  19-20
  2.3 分析方法  20-21
3 强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的改性作用  21-28
  3.1 表面形貌与相结构  21-25
    3.1.1 表面形貌  21-24
    3.1.2 相结构  24-25
  3.2 显微硬度  25-26
  3.3 讨论  26-28
4 强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的摩擦学性能  28-39
  4.1 摩擦系数及磨损率  28-29
    4.1.1 摩擦系数  28-29
    4.1.2 磨损率  29
  4.2 磨损表面特征  29-37
    4.2.1 表面轮廓  29-31
    4.2.2 表面形貌  31-37
  4.3 讨论  37-39
结论  39-40
参考文献  40-43
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  43-44
致谢  44-45

强流脉冲离子束辐照改性WC-Co硬质合金强化机制研究

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