纳米WC硬质合金制备工艺

   2020-09-01 互联网中国铸造网15500
核心提示:纳米WC-Co硬质合金,因其特殊的耐磨蚀、高硬度,以及优异的断裂韧性和抗压强度被广泛应用于现代科技的各个

纳米WC-Co硬质合金,因其特殊的耐磨蚀、高硬度,以及优异的断裂韧性和抗压强度被广泛应用于现代科技的各个领域,已被制成加工集成电路板的微型钻头、点阵打印机、打印针头、整体孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙钻、难加工材料刀具等。另外科学家们还正在研制圆形刀具、凿岩刀具以及纳米WC-Co基增强复合材料等。因此开发纳米WC硬质合金和寻求更为广阔的应用领域成为发展的热点,而制备的关键技术在于纳米原料粉末的制备及随后的烧结过程。

纳米WC-Co硬质合金性能的提高来源于晶粒度的减小。晶粒度越细,缺陷越少,粘结相的平均自由程越小,抗弯强度和硬度就能保持较高值。由于硬质合金对原生WC粉的微观结构具有继承性,因此粉体的制备不仅要求它超细,还要求高纯,粉末粒度分布要窄。此外对颗粒形貌、结晶完整性、亚晶尺寸大小等也有要求。

纳米WC-Co粉末制备主要有:①先制备出超细钨粉,然后加炭碳化制得超细或亚微细的碳化钨粉末,再与超细钴粉混合;②直接从含钨化合物中进行碳化制取超细碳化钨,再与钴粉混合;③直接制取复合粉是目前比较流行的方法,它利用流化床内介质流态化的特性,使化学均匀的钨钴复合物在流化床内连续地还原碳化,最终获得分布均匀、粒度极细小的WC-Co复合粉末。前两种制粉途径虽然技术比较成熟,但过程复杂,此外由于超细粉的表面积和化学特性,有团聚的倾向,研磨过程中很难使粉末混合均匀。采用直接复合粉的制取可以避免这些不足之处,简化工艺,使Co分布均匀,并降低碳化温度。但该方法也存在一些问题,如复盐制备、流态化工艺或回转炉工艺、温度和气氛控制等技术难度较大。

烧结是对硬质合金的组织和性能起着决定性影响的工序。WC-Co硬质合金许多传统的烧结方法已经暴露出越来越多的弱点。如氢气烧结,其烧结是在正压下进行的,产品内部空隙不可能完全消除,留有残余孔隙。一些氧化物杂质也不能较多地挥发排除掉,产品易渗脱碳,故逐渐被淘汰。

烧结过程中将发生下列变化:(1)烧结致密化,(2)碳化物晶粒长大,(3)粘结相成分的改变和合金组织的形成等。纳米WC-Co粉体的烧结好坏在于如何控制好(1)与(2)之间的平衡关系。因颗粒越小,曲率越大,致密化的驱动力越高,但是粗化的驱动力也越高。WC-Co在高于1350℃进行液相烧结时,形成Co和WC的伪二元共晶,随后该共晶液体通过溶解-析出机理发生明显的显微组织粗化。所以要抑制晶粒的长大就必须控制溶解-析出过程。由于晶粒长大抑制剂的加入能降低WC粘结相溶解度,而使得WC晶粒的溶解-析出过程受到障碍,抑制了晶粒的粗化。故晶粒长大抑制剂被认为是抑制晶粒长大较为理想的一种方法,目前常用的晶粒长大抑制剂有TiC、VC等。

但过多的晶粒长大抑制剂会导致碳化物在WC/Co晶界大量析出,增加了脆性、孔隙度,所以晶粒长大抑制剂在应用中有一定局限。因此,缩短烧结时间对抑制晶粒长大尤为重要。此外,纳米WC-Co粉体如果通过固态烧结固化,可延长颗粒生长速度,在高温下加压烧结也可抑制晶粒长大。

减小粒径是提高WC-Co硬质合金性能(强度、硬度和抗磨性等)的有效途径,因此研制纳米硬质合金是下阶段研究者的开发重点,它将会引起一场技术革命,大大拓宽WC-Co硬质合金的应用领域,并因此带动各种精密仪器、模具、刀具及电子通信技术的飞速发展。研制纳米晶或纳米结构的WC-Co硬质合金的关键是探索新型的制粉和烧结工艺,尤其是在抑制晶粒长大方面的研究,通过精减工艺,降低烧结温度来进一步降低成本,实现纳米WC-Co硬质合金的产业化。(昕竺)


 
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