固-液掺杂WC-Co硬质合金制备及其显微结构与力学性能研究

作者：彭宇强

来源：材料工程（专业学位）, 硕士, 合肥工业大学, 2021.

DOI：10.27101/d.cnki.ghfgu.2021.000153

• WC-Co硬质合金
• 固-液掺杂工艺
• 放电等离子烧结
• 断裂韧性
• 硬度

硬质合金是一种通过粉末冶金工艺制备的复合材料,其具有高硬度高耐磨性等优良的性能,被称作“工业的牙齿”。WC-Co硬质合金是目前应用最为广泛的硬质合金之一,因具有优异的综合性能而被应用在开凿、切削、机械加工等工业领域。但是随着工业的高速发展,传统硬质合金逐渐无法满足人们的工艺制造要求。人们通过优化硬质合金的组成成分、微观结构和制备工艺以改善其综合性能。大量研究表明,硬质合金的性能在添加剂的作用下会得到改善。因此,本论文通过一种新型固-液掺杂和SPS工艺制备Y2O3、ZrO2及Mo掺杂WC-Co硬质合金,并且研究了添加剂对硬质合金组织和力学性能的影响。采用XRD、SEM、TEM等测试手段对WC-Co基硬质合金的组成、显微组织、密度、硬度以及断裂韧性进行了分析,主要研究结果如下:（1）通过固-液掺杂和SPS工艺在1150 ℃和50 MPa的压力下成功制备了WC-Co-Y2O3硬质合金。通过固-液掺杂工艺可将Y2O3较为均匀地添加至WC-Co合金粉末中。与未掺杂Y2O3的WC-Co样品相比,1.3 wt.%Y2O3的合金样品的致密度与WC晶粒尺寸并未发生太大变化;维氏硬度和断裂韧性分别为1446.9HV和11.9 MPa·m1/2,在保持硬度不降低的基础上,断裂韧性提升了9.2%。TEM结果表明,Y2O3相和WC相呈半共格结构,增强了相间结合力和断裂韧性。（2）采用固-液掺杂和SPS工艺在1250 ℃和50 MPa的压力下获得了WC-Co-Y2（Zr）O3硬质合金,并研究了Y2（Zr）O3相对WC-Co硬质合金的显微组织和力学性能的影响。结果表明,ZrO2含量为0.15 wt.%的合金样品的维氏硬度和断裂韧性分别为1428.6 HV和12.8 MPa·m1/2,与单独添加Y2O3的样品相比,在保持高硬度的基础上,断裂韧性进一步提升了7.6%。TEM结果表明,Y、Zr和O元素以Y2（Zr）O3化合物的形式存在,与单独添加Y2O3的样品相比,进一步增强了相间结合力和断裂韧性(单独添加Y2O3样品断裂韧性为11.9 MPa·m1/2)。（3）研究了Mo元素对WC-Co硬质合金的显微组织和力学性能的影响。结果表明,通过固-液掺杂工艺可将Y2O3、Mo较为均匀地添加至WC-Co合金粉末中。3 wt.%Mo的合金样品的WC晶粒尺寸有一定的降低;维氏硬度和断裂韧性分别为1584.1 HV和11.8 MPa·m1/2,与单独添加Y2O3的样品相比,在保持断裂韧性的基础上,硬度有一定提升。TEM结果表明,Co相与Mo相的共同作用抑制了W原子在粘结剂中的扩散,在一定程度上降低了晶粒尺寸,提升硬度;同时,在Co相内部Mo原子的存在提升了相内本身的强度,导致WC-Co-Y2O3-Mo硬质合金硬度的提升。