【文章內(nèi)容簡介】 。 25 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論 前言 硬質(zhì)合金是以高硬度難熔金屬的 碳化物 （ WC、 TiC、 Cr3C2)為基體，以鐵族金屬鈷（ Co）、鎳（ Ni）、鐵（ Fe）為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制造的在真空爐或氫氣還原爐中燒結(jié)而成的一種多相組合材料 [1]。 硬質(zhì)合金作為一種高效工具材料，自問世迄今70 多年間已取得了驚人的成就，由小規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展成完整的工業(yè)體系。 硬質(zhì)合金 因?yàn)榫哂懈邚椥阅Ａ?、高硬度、高耐磨性、良好的紅硬性和耐酸、耐堿、抗氧化性以及低線膨脹系數(shù)等特性，使得它在當(dāng)今的工具材料、耐腐蝕材料方面顯示出極大的優(yōu)勢。因?yàn)樗哪湍バ院蜆O高的硬度，使得材料在 500℃ 乃至 1000℃ 的溫度下也 可以 維持其性能不變。 硬質(zhì)合金 的用途非常 廣泛 ，一般用于刀具材料 等 。 課題的目的和意義 硬質(zhì)合金的硬度 隨 硬化相含量 升 高、晶粒 變細(xì)而增大， 粘結(jié)金屬含量 越大 硬質(zhì)合金的韌性 越好 ，抗彎強(qiáng)度越大。 本 課題主要是研究 WC 粒度 對(duì) WC6%(Cr3C2/TaC)硬質(zhì)合金的組織和性能（抗彎強(qiáng)度、硬度、矯頑力）的影響 。 硬質(zhì) 合金 可以根據(jù) WC 平均晶粒度 分為： 超粗晶粒硬質(zhì)合金 ，粗晶粒硬質(zhì)合金，中晶粒硬質(zhì)合 金 ，細(xì)晶粒 硬質(zhì)合金 ，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；亞微 米晶粒硬質(zhì)合金 ， 納米晶 粒硬質(zhì)合金 。 超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金 抗彎強(qiáng) 度的增強(qiáng)，其磨粒磨損 性能和硬度的提高，是其得到快速發(fā)展的主要原因。 一般的 超細(xì)晶粒合金 都 有 高紅硬性 、 高硬度、高耐磨性、 高強(qiáng)度等性能 ， 通常在高負(fù)荷和疲勞性能要求不高時(shí)使用。 亞微米晶粒合金特別適合用于適當(dāng)使用溫度下的高應(yīng)力磨 損，而又要求銳利、剛 性好的工具。 和細(xì)晶粒合金相比 ，粗晶粒合金具有更好的強(qiáng)度和斷裂韌性，適合于在較高工作溫度條件下使用。 因此，制備礦用合金的趨勢是增大 WC 晶粒度， 降低合金的 Co 含量，這樣就可以 獲得好的 斷裂韌性和 強(qiáng)度，以及高溫性能。 研究表明，在相同 Co 含量條件下，提高 WC 的晶粒 度，可提高 合金的 硬度、矯頑力和 斷裂韌 性 同時(shí)也會(huì)降低抗彎強(qiáng)度。 低 Co 粗晶粒硬 質(zhì)合金 同 時(shí)具有高的導(dǎo)熱率、低的膨脹系數(shù)和較好 的斷裂韌性，因而能滿足一些特殊的使用要求 。同時(shí) 合金高的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹 系數(shù)、好的高溫磨 損性能、高的橫向斷裂強(qiáng)度和高的斷裂韌性性能有 利于改善合金表面 微觀剝落與微觀斷裂，以及高溫磨粒磨 損等 失效形式 。 通過研究可以充分了解不同粒度 WC 對(duì)硬質(zhì)合金性能的影響，從而采用合適的 WC 粒度制造出滿足客戶要求的各種不同性能的產(chǎn)品。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 發(fā)展?fàn)顩r與前景 隨著電子、宇航、現(xiàn)代軍工尖端技術(shù)的進(jìn)步 ,加工難度越來越大 ,精度要求越來越高 ,促使硬質(zhì)合金向著超 細(xì)粒度、高純度、高精度、高性能方向發(fā)展 [4]。正是現(xiàn)代科研成果開發(fā)出的高新技術(shù)與設(shè)備在硬質(zhì)合金生產(chǎn)上的應(yīng)用 ,才使得涂層、超細(xì)等“雙高”性能的優(yōu)質(zhì)合金得以問世并投產(chǎn)。 硬質(zhì)合金是脆性材料，其硬度和強(qiáng)度之間存在著矛盾：硬度高則強(qiáng)度低，而強(qiáng)度高則硬度低。突破這一技術(shù)瓶頸，一直是人們努力的方向。研究表明，除組分本身的特性之外，硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)其硬度和韌性起到?jīng)Q定性的作用 。 國外 新型硬質(zhì)合金 向 超粗、特粗晶粒 方向發(fā)展。它們相對(duì)于以往 的中、粗顆粒硬質(zhì)合金 來說 ， 在含有相同量的 Co 時(shí) ， 可 以達(dá)到很高 的斷裂韌性與紅硬性 ，并 且體現(xiàn)出 較好的抗熱沖擊性 和 抗熱疲勞 性 能 。而一般 軟巖的連續(xù)開采 都是在 極端 的 工 作條件下進(jìn)行的，因此它們起到了相當(dāng)大的作用。除此之外 ， 對(duì)于 要求較高的沖壓模 和 軋輥 ，它們也是不錯(cuò)之選 ， 超粗和特粗硬質(zhì)合金具有非常好的前景 。 WC 粉末 粒度 表示 及分析 方法 所謂粒度就是以 mm 或 μm 表示的顆粒的大小，簡稱粒徑。 通常球體顆粒的粒度用直徑表示，立方體顆粒的粒度用邊長表示。對(duì)不規(guī)則的礦物顆粒，可將與礦物顆粒有相同行為的某一球體直徑作為該顆粒的等效直徑。 分散體系和粉末中顆粒的粒度和比表面（單位體積或單位質(zhì)量分散相所具有的表面積 ）決定著分散體系和粉末的性質(zhì)，因此粒度的測量在材料科學(xué)的研究中是一種最基本的測量 。 由于組成粉末的無數(shù)顆粒一般粒徑不同，故又用具有不同粒徑的顆粒占全部粉末的百分含量表示粉末的粒度組成，又稱粒度分布 [1]。因此嚴(yán)格講，粒度僅指單顆粒而言，而粒度組成則指整個(gè)粉末體，但是通常說的粉末粒度包含有粉末的平均粒徑的意義，也就是粉末的某種統(tǒng)計(jì)性平均粒徑。 粉末 粒度 組成的表示比較麻煩，應(yīng)用也不太方便，許多情況下只需要知道粉末的平均粒度就行了。 由符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的粒度組成計(jì)算的平均粒徑稱為統(tǒng)計(jì)平均粒徑，是表征整個(gè)粉末體的一種粒度參 數(shù) 。 對(duì)于粒度的測試方法應(yīng)根據(jù)粉末粒度范圍、顆粒的形態(tài)材質(zhì)以及測試的目的等不同要求而確定。目前，粉末粒度的測試方法主要有以下幾種測試方法： ① 篩分法； ② 顯微鏡法（ SEM 或 TEM）； ③ 離心沉降法； ④ 激光散射法； 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 3 硬質(zhì)合金硬度 金屬硬度檢測主要有兩類試驗(yàn)方法。一類是靜態(tài)試驗(yàn)方法，這類方法試驗(yàn)力的施加是緩慢而無沖擊的。 壓痕投影面積 、壓痕的深度 或壓痕凹印面積的大小 會(huì)反應(yīng) 硬度的 大小 。布氏、 韋氏、 洛氏、 努氏、巴氏、 維氏 的測試方法是 靜態(tài)試驗(yàn) 測試法 。 應(yīng)用非常多 的 是 布、洛、維 這三種 ， 在檢測金屬硬度時(shí)一般都采用這 三種 。 在產(chǎn)品 檢 測時(shí)我們習(xí)慣用并且用的最多是 洛氏硬度。 此外， 肖氏和里氏硬度 屬于 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)法 ，這 是因?yàn)樵?試驗(yàn) 過程中，我們所 施加 的力 是動(dòng)態(tài) 和沖擊性的。對(duì)于大型和不方便 移動(dòng) 產(chǎn)品的 ，我們通常用動(dòng)態(tài)測試方法 。 這里對(duì)于 YG6 試樣硬度測試采用洛氏硬度測試方法。 抗彎強(qiáng)度 硬度高、耐磨性好 是 硬質(zhì)合金 的主要特點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得它被廣泛用于 冶金、礦山 的 開采、 紡織、 化工領(lǐng)域 。 但是 材料脆性較大 是 硬質(zhì)合金 的主要缺陷 ， 這就要求我們充分認(rèn)識(shí)它的抗彎強(qiáng)度等性能 。 目前我們并沒有在報(bào)刊發(fā)表有關(guān)硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度分散性研究的報(bào)道，但是我們了解到 ，材料的 強(qiáng)度分散性 會(huì)隨 脆性 的增大而增大。在材料中 的碳化物以及粘結(jié)相的種類和 含量 、 熱處理工藝、 燒結(jié)工藝、組織缺陷 會(huì)影響材料的抗彎強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，材料表面狀態(tài)和應(yīng)力發(fā)布也會(huì)對(duì)硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度造成影響 。 矯頑磁力 硬質(zhì)合金中含有鐵磁性物質(zhì)鈷，因而使硬質(zhì)合金具有鐵磁性材料的特性。用磁場將硬質(zhì)合金試樣磁化，去掉外加磁場后，合金中仍保留一定的剩磁，必須加一個(gè)方向相反的磁場， 此磁場強(qiáng)度稱為矯頑磁力 。 影響硬質(zhì)合金矯頑磁力的因素有 碳化鎢晶粒度、碳平衡、鈷含量、研磨時(shí)間 [9]。在晶粒度一定時(shí)，矯頑磁力隨粘結(jié)相鈷含量的 增加而下降；當(dāng)合金中的鈷含量一定時(shí)，鈷相 的 分散程度 是影響矯頑磁力的主要因素 ， 主要通過 合金中的碳含量 和碳化鎢晶粒度起作用 。 當(dāng)合金中鈷相含鎢量減少 ， 并且碳含量增加時(shí)， 矯頑磁力 也會(huì)隨之 降低。在合金中出現(xiàn) 含碳量不足 的情況時(shí)， 非磁性 的 脫碳相 會(huì)生成 , 減少了 磁性鈷的含量 , 并且使鈷相的分散程度變大 , 細(xì)化了碳化鎢晶粒尺寸 ,從而 矯頑磁力 也隨之 增大。 矯頑磁力也會(huì)隨合金中鈷相的分散度增大和 碳化鎢晶粒 尺寸的變細(xì)而 增大。 最后，如果適當(dāng)?shù)奶岣邿Y(jié)溫度，可以使合金 矯頑磁力 降低 。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 第 2 章 實(shí)驗(yàn)過程及 方法 實(shí)驗(yàn) 原料 為了研究 三種不同粒度 WC 對(duì) YG6 硬質(zhì)合金組織和性能的影響。通過混料、壓制、燒結(jié)等基本的粉末冶金工序，得到硬質(zhì)合金試樣，磨制金相試樣，進(jìn)行顯微組織分析，測定其抗彎強(qiáng)度、硬度和矯頑力。為了便于分析和提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，對(duì)每種晶粒大小的 WC 硬質(zhì)合金產(chǎn)品分別做三個(gè)相同的試樣，分為 3 組，分別為牌號(hào)為 YG6X（序號(hào)為 3）、 YG6（序號(hào)為 6）、 YG6C（序號(hào)為 9）的三組 9 個(gè)試樣。 實(shí)驗(yàn)所用的主要原料是 WC、 Co 粉，其粉末的技術(shù)條件如表 、 所示 ，其次還有 無水 酒精 、 Cr3C2/TaC 晶粒長大抑制劑 、成型劑（石蠟） ，有時(shí)還可以有 CK 料、炭黑、油酸（起分散作用）等。 (1)混合料配 比 鈷粉： 6% WC 粉： % Cr3C2/TaC： % 計(jì)算公式為： 100d xydw c dco? ? （ ） 試中： d— 合金的理論密度，克 /厘米 3 dWC— 碳化鎢的密度（取 ），克 /厘米 3 dCo— 鈷的密度（取 ）?？?/厘米 3 x— 碳化鎢的含量 ， ％ ； y — 鈷的含量， ％ 。 由上式可以求得硬質(zhì)合金 YG6 的理論密度為 g/cm3 模具尺寸為： 6 .1 m m 6 .1 m m 4 2 .4 m m?? 所以單重 M 0 .6 1 0 .6 1 4 2 .4 1 5 .0 2 3 .6 7? ? ? ? ?g 其中壓制 9 個(gè) 單重 M 9 213? ? ? g ， 所需 WC 2 1 3 9 3 .6 % 1 9 9 .4? ? ?g， Co= 表 WC 粉末的技術(shù)條件 [2] 組號(hào) 總碳 游離碳 Ca Si Fe Fsss， μm 1 177。 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ 2 177。 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ 3 177。 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 表 Co 粉末的技術(shù)條件 [2] Co， % Ni， % O， % C， % Fe， % 松裝密度 g/c m 3 Fsss， μm ≥99 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ ≤. 表 Cr3C2 粉末的技術(shù)條件 總碳 游離碳 Ni Si Fe Fsss， μm 177。 ≤ ≤ ≤ ≤ ～ (2)配料 原則 為 ① 所使用的原輔助材料必須滿足技術(shù)條件的要求， 按合金成分配料。 ② 按合金組織晶粒度要求 選擇原 料粒度。一般 根據(jù)的原則為 WC 原始晶粒度與燒結(jié)后合金晶粒度相等。 ③ 碳氧平衡 如果 WC 的總碳不能滿足配料要求，可采取在濕磨的混合料中加入炭黑或鎢粉。加鎢粉應(yīng)按下列規(guī)則進(jìn)行：鈷含量大于 10%， 加鎢粉量不大于 %，鎢粉越細(xì)越好，粒度小于 1～ 。 (3)添加劑的主要作用 [6] ① 可以使 碳化物晶粒的長大 得到抑制 ，降低合金性能對(duì)燒結(jié)溫度和時(shí)間的敏感性； ② 降低碳含量變化對(duì)合金性能影響的敏感性； ③ 改變合金相成分和鈷相成分，改善合金性能； ④ 可以 提高合金的耐熱性和抗月牙注磨損的能力。 (4)成型劑（石蠟）主要作用 ① 將難熔金屬硬質(zhì)化合物（碳化鎢、碳化鉭等）、粘結(jié)金屬（鈷粉或鎳粉）及少量添加劑（ 硬脂酸或依索敏 ），經(jīng)過配料，在己烷研磨介質(zhì)中進(jìn)行混合和研磨，添加石蠟的料漿， 再經(jīng)真空干燥 （ 或噴霧干燥 ）、過篩、制粒、制成摻蠟混合料； ② 摻蠟混合料經(jīng)鑒定合格，經(jīng)過 精密壓制，制成高精度壓坯； ③ 壓坯經(jīng)真空脫蠟燒結(jié)或低壓燒結(jié)， 制成硬質(zhì)合金。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)中主要設(shè)備和儀器有 行星球磨機(jī) ， YH4125C 液壓機(jī) ，脫蠟燒結(jié)氣氛控制一體爐， 93— I 型矯頑磁力， 洛氏硬度計(jì)， 拋光機(jī) ， 8Vms20xx 型金相圖象分析系統(tǒng) 。 試樣制備過程 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需樣品原料，工藝流程如下： 一定量的 WC、 Co 粉 +酒精 → 濕 磨 → 干燥 → 過篩 → 摻膠 → 壓制成型 → 燒結(jié) → 性能湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 測試 濕磨 濕磨的目的是將碳化物研磨至所需粒度 ,并與鈷粉在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分均勻混合 ,并具有較好的壓制和燒 結(jié)性能。將按一定比例配好的由鈷粉 、 WC 粉 、 晶粒長大抑制劑 Cr3C2/TaC等物料加入濕磨機(jī) 進(jìn)行球磨。在濕磨過程中 ,只有破壞并分散顆粒團(tuán)聚 ,確保物料被充分 破碎 和分散 ,才能保證粉末組元之間的有效混合 ,為噴霧干燥制粒提供高質(zhì)量的混合物料。目前 ,主要有滾動(dòng)球磨和攪拌球磨這兩種濕磨方式 。此實(shí)驗(yàn)我們采用滾動(dòng)球磨。 其中 影響濕磨程的基本因素有： ① 磨筒轉(zhuǎn)速 球體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是隨筒體的轉(zhuǎn)速而變的。實(shí)踐證 明 [1] =~ 臨 界時(shí)，球體發(fā)生拋落； = 臨 界 時(shí)，球體滾動(dòng)； ?工 臨 界 時(shí)，球體以滑動(dòng)為主。球的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)物料的粉碎作用是不同的。因而，在實(shí)踐中采用 = 臨 界 使球體產(chǎn)生滾動(dòng) 來研磨較細(xì)物料；如果物料較粗、性脆，需要沖擊時(shí)，可采用 =~ 臨 界的轉(zhuǎn)速。 球磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速 一般用下式表 示 [1]： ?臨 界 （ ） 式中 :n臨 界 磨筒的臨界轉(zhuǎn)速 ， r/min。 D 球磨筒內(nèi)徑， m。 球磨過程中 ,球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速必須小于臨界轉(zhuǎn)速 ,才能使研磨球不緊貼著筒壁轉(zhuǎn)動(dòng)而與筒壁產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 ② 裝球量 在 一定的范圍內(nèi)增加裝球量可以提高研磨效率。在轉(zhuǎn)速 固定時(shí)，裝球量過少，球在傾斜面上主要是滑動(dòng)，使研磨效率降低；但當(dāng) 裝球量過多 時(shí) ， 會(huì)使 球?qū)又g 相互造成較大干擾 ， 從而使 球的正常循環(huán) 遭到破壞 ， 降低 研磨效率。 我們通常根據(jù)隨球磨筒的容積來確定 裝球量的多少， 裝填系數(shù)是裝球體積與球磨筒體積的比值， 一般球磨機(jī)的系數(shù) 為 ~ ， 當(dāng) 轉(zhuǎn)速增大 時(shí)，其值可相應(yīng)有所 增加。 裝填系數(shù) B ? 裝 球 體 積 / 球 磨 筒 體 積 （ ） ③球的大小 通常筒中的球體大小會(huì)影響物料的粉碎程度。當(dāng)采用的球直徑太大或裝球量不足時(shí)，會(huì)減少磨削面積和撞擊次數(shù)，降低球磨效率；當(dāng)采用的球體質(zhì)量太輕，并且球的直徑過小，則會(huì)使球?qū)ξ锪系臎_擊力變小 [1]。 一般是大小不同的球的配合使用，球的直徑一般按一定的范圍選擇 : (1/18~1/2 4)dD? （ ） 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 式中： D 球磨筒內(nèi)徑。 因?yàn)?材料的硬度會(huì)隨物料的原始粒度的增大而增大 ， 因此通常選大一點(diǎn)的 球。 在一般情況下用 5~ 10mm的硬質(zhì)合金球研磨硬質(zhì)合金混合料， 選用 10 ~ 20mm大小的鋼球 來研磨鐵粉 。 研磨 WCCo 混合料 時(shí) 用 5~ 10mm的 球 ,多數(shù)情況 用 12 ~ 18mm的球 來研磨 WCTiCCo。 這里選用 12~ 18mm的球來進(jìn)行研 磨。 ④ 球料比 球與料的比例 是研磨過程中應(yīng)該十分注意的 。 當(dāng) 料 的量 太少 時(shí) ， 會(huì)增加 球 體 之間的碰撞 幾率 ， 造成 磨損 增大 ； 如果裝 料 太 多， 會(huì)減少 磨削面積， 要得到同樣細(xì)的粉料則會(huì)增加 研磨時(shí)間，消耗 更大的能量 。 此外 ， 不能把 料與球裝得 太 滿 ，否則會(huì)降低 球磨效率。 通常是使 球間的空隙 填滿并且使 球體表面 稍微掩蓋住 為原則 ， 生產(chǎn)中一般采用 3:1 或 4:1 的球料比。 ⑤ 研磨介質(zhì) 濕磨介質(zhì)必須具有很高的純度 ,與混合料不發(fā)生任何化學(xué)作用 ,沸點(diǎn)低 ,一般于100%左右能揮發(fā)除去 ,且要求其表面張力小 ,不結(jié)團(tuán) ,無毒 ,無副作用 ,操作安全。通常采用的濕磨介質(zhì)為酒精、丙酮、己烷 。采用酒精時(shí)， 一般固液比為 1:3。具體采用何種濕磨介質(zhì) ,可根據(jù)生產(chǎn)廠家具體情況來選擇。 ⑥ 研磨時(shí)間 在各組元達(dá)到均勻混合以前 ,它們混合的均勻程度和碳化物顆粒的粉碎程度都隨濕磨時(shí)間的延長而提高 ,合金的各項(xiàng)性能亦隨之改善 。 但切削試驗(yàn)表明 ,較長的濕磨時(shí)間對(duì) YG6 合金性能并無多大的好處 。 在一定的工藝條件下 ,過分延長濕磨時(shí)間則磨碎效率隨之降低 ,碳化鎢晶粒在燒結(jié)過程不均勻長大的傾向隨之增大 ,因而使合金性能變壞 。 如果需要制取晶粒很細(xì)的合金 ,則必須采用粒度較細(xì)的 原始碳化鎢 ,或者添加其它碳化物。 根據(jù)上面的影響因素并且 按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定濕磨時(shí)間、濕磨機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)分別如表 所示 。 表 濕磨工藝 牌號(hào) 濕磨機(jī)轉(zhuǎn) 速 /分 硬質(zhì)合金球 裝料量 /g 酒精加量 /升 研磨時(shí) 間 /小時(shí) 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 混合料干燥與制粒的方法有很多，國內(nèi)常用的有：振動(dòng) 蒸汽干燥、噴霧干燥、雙圓