不同粒度WC粉对WC6Co04 Cr3C2TaC硬质合金组织和性能的影响毕业论文 精品.docx

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不同粒度WC粉对WC6Co04Cr3C2TaC硬质合金组织和性能的影响毕业论文精品

（2013届）

本科毕业论文资料

题目名称：

不同粒度WC粉对WC-6%Co-0.4（Cr3C2/

TaC）硬质合金组织和性能的影响

学院（部）：

冶金工程学院

专业：

金属材料工程

学生姓名：

陈亮

班级：

金属材料092

学号：

09495100303

指导教师姓名：

胡金娥

职称：

副教授

最终评定成绩：

湖南工业大学教务处

2013届

本科毕业论文资料

第一部分毕业论文

（2013届）

本科毕业论文

题目名称：

不同粒度WC粉对WC-6%Co-0.4（Cr3C2/

TaC）硬质合金组织和性能的影响

学院（部）：

冶金工程学院

专业：

金属材料工程

学生姓名：

陈亮

班级：

金属材料092

学号：

09495100303

指导教师姓名：

胡金娥

职称：

副教授

最终评定成绩：

2013年5月

湖南工业大学

本科毕业论文

诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文，题目《不同粒度WC粉对WC－6%Co－0.4（Cr3C2/TaC）硬质合金组织和性能的影响》是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。

除此之外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

本人完全意识到本声明应承担的责任。

作者签名：

日期：

2013年5月

摘要

采用粒度分别为5μm、3μm、1μm的三种粗、中、细WC粉并添加少量晶粒长大抑制剂Cr3C2/TaC，通过同样的的混料、压制、烧结等基本粉末冶金工艺制得三组WC-6%Co-0.4（Cr3C2/TaC）硬质合金试样，每组各三个试样。

首先采用扫描电镜或金相显微镜观察三组试样的金相组织，然后用三点弯曲实验测定硬质合金试样的抗弯强度，再测试试样硬度，最后测量硬质合金试样的矫顽磁力。

通过三点弯曲实验和金相分析实验，找到了WC晶粒度及其均匀性对WC-Co硬质合金抗弯强度的影响规律。

实验结果表明，一般情况下，对于YG6硬质合金，抗弯强度随WC平均晶粒度增大而减小，粒度分布越均匀，抗弯强度越大；同时硬度和矫顽磁力也随晶粒度的减小而增大。

关键词：

YG6硬质合金；抗弯强度；平均晶粒度；矫顽磁力

ABSTRACT

Usingparticlesizeis5μm,3μm,respectively1μmthreekindsofcoarse,mediumandfineWCpowderandaddasmallamountofgraingrowthinhibitorCr3C2/TaC,throughthesamemixing,pressingandsinteringofpowdermetallurgytechnologymadethreegroupofWC-6%Co-0.4（Cr3C2/TaC）carbidesample,eachsetofthreespecimens.Firstthreegroupsofspecimenswereobservedbyscanningelectronmicroscopy（sem）andmetallographicmicroscope,metallographicorganization,thenhardalloyspecimenismeasuredbythreepointbendingexperimentofbendingstrength,andhardnesstestspecimen,themeasuringcarbidesamplesofcoerciveforce.Bythreepointbendingexperimentandmetallographicanalysis,findtheWCgrainsizeandtheuniformityofWC-Coincementedcarbidebendingstrengthoftheinfluencelaw.Experimentalresultsshowthat,ingeneral,forYG6cementedcarbide,thebendingstrengthdecreasewithincreasingaverageWCgrainsize,particlesizedistributionmoreuniform,thegreaterthebendingstrength;Alsoonhardnessandcoerciveforceincreaseswiththedecreasingofgrainsize.

Keywords：

YG6cementedcarbide；endingstrength；veragegraindegrees；coerciveintensity

目录

第1章绪论1

1.1前言1

1.2课题的目的和意义1

1.3发展状况与前景2

1.4WC粉末粒度表示及分析方法2

1.5硬质合金硬度3

1.6抗弯强度3

1.7矫顽磁力3

第2章实验过程及方法4

2.1实验原料4

2.2实验设备5

2.3试样的制备过程5

2.3.1湿磨6

2.3.2干燥7

2.3.3过筛9

2.3.4掺胶8

2.3.5压制9

2.3.6烧结10

2.4试样性能检测13

2.4.1抗弯强度测定13

2.4.2金相组织的观察15

2.4.3矫顽磁力测定15

2.4.4硬度的测定16

第3章实验结果与分析17

3.1抗弯强度17

3.1.1影响硬质合金抗弯强度的因素17

3.1.2WC粒度对抗弯强度的影响18

3.2矫顽磁力19

3.2.1影响硬质合金矫顽磁力的因素19

3.2.2WC粒度对矫顽磁力的影响20

3.3硬度21

3.3.1影响硬质合金硬度的因素21

3.3.2WC粒度对硬度的影响21

结论22

参考文献23

致谢25

第1章绪论

1.1前言

硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC、Cr3C2）为基体，以铁族金属钴（Co）、镍（Ni）、铁（Fe）为粘结剂，用粉末冶金方法制造的在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的一种多相组合材料[1]。

硬质合金作为一种高效工具材料，自问世迄今70多年间已取得了惊人的成就，由小规模生产发展成完整的工业体系。

硬质合金因为具有高弹性模量、高硬度、高耐磨性、良好的红硬性和耐酸、耐碱、抗氧化性以及低线膨胀系数等特性，使得它在当今的工具材料、耐腐蚀材料方面显示出极大的优势。

因为它的耐磨性和极高的硬度，使得材料在500℃乃至1000℃的温度下也可以维持其性能不变。

硬质合金的用途非常广泛，一般用于刀具材料等。

1.2课题的目的和意义

硬质合金的硬度随硬化相含量升高、晶粒变细而增大，粘结金属含量越大硬质合金的韧性越好，抗弯强度越大。

本课题主要是研究WC粒度对WC-6%Co-0.4（Cr3C2/TaC）硬质合金的组织和性能（抗弯强度、硬度、矫顽力）的影响。

硬质合金可以根据WC平均晶粒度分为：

超粗晶粒硬质合金，粗晶粒硬质合金，中晶粒硬质合金，细晶粒硬质合金，超细晶粒硬质合金；亚微米晶粒硬质合金，纳米晶粒硬质合金。

超细晶粒硬质合金抗弯强度的增强，其磨粒磨损性能和硬度的提高，是其得到快速发展的主要原因。

一般的超细晶粒合金都有高红硬性、高硬度、高耐磨性、高强度等性能，通常在高负荷和疲劳性能要求不高时使用。

亚微米晶粒合金特别适合用于适当使用温度下的高应力磨损，而又要求锐利、刚性好的工具。

和细晶粒合金相比，粗晶粒合金具有更好的强度和断裂韧性，适合于在较高工作温度条件下使用。

因此，制备矿用合金的趋势是增大WC晶粒度，降低合金的Co含量，这样就可以获得好的断裂韧性和强度，以及高温性能。

研究表明，在相同Co含量条件下，提高WC的晶粒度，可提高合金的硬度、矫顽力和断裂韧性同时也会降低抗弯强度。

低Co粗晶粒硬质合金同时具有高的导热率、低的膨胀系数和较好的断裂韧性，因而能满足一些特殊的使用要求。

同时合金高的热导率、低的热膨胀系数、好的高温磨损性能、高的横向断裂强度和高的断裂韧性性能有利于改善合金表面微观剥落与微观断裂，以及高温磨粒磨损等失效形式。

通过研究可以充分了解不同粒度WC对硬质合金性能的影响，从而采用合适的WC粒度制造出满足客户要求的各种不同性能的产品。

1.3发展状况与前景

随着电子、宇航、现代军工尖端技术的进步,加工难度越来越大,精度要求越来越高,促使硬质合金向着超细粒度、高纯度、高精度、高性能方向发展[4]。

正是现代科研成果开发出的高新技术与设备在硬质合金生产上的应用,才使得涂层、超细等“双高”性能的优质合金得以问世并投产。

硬质合金是脆性材料，其硬度和强度之间存在着矛盾：

硬度高则强度低，而强度高则硬度低。

突破这一技术瓶颈，一直是人们努力的方向。

研究表明，除组分本身的特性之外，硬质合金的微观结构，对其硬度和韧性起到决定性的作用。

国外新型硬质合金向超粗、特粗晶粒方向发展。

它们相对于以往的中、粗颗粒硬质合金来说，在含有相同量的Co时，可以达到很高的断裂韧性与红硬性，并且体现出较好的抗热冲击性和抗热疲劳性能。

而一般软岩的连续开采都是在极端的工作条件下进行的，因此它们起到了相当大的作用。

除此之外，对于要求较高的冲压模和轧辊，它们也是不错之选，超粗和特粗硬质合金具有非常好的前景。

1.4WC粉末粒度表示及分析方法

所谓粒度就是以mm或μm表示的颗粒的大小，简称粒径。

通常球体颗粒的粒度用直径表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。

对不规则的矿物颗粒，可将与矿物颗粒有相同行为的某一球体直径作为该颗粒的等效直径。

分散体系和粉末中颗粒的粒度和比表面（单位体积或单位质量分散相所具有的表面积）决定着分散体系和粉末的性质，因此粒度的测量在材料科学的研究中是一种最基本的测量。

由于组成粉末的无数颗粒一般粒径不同，故又用具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量表示粉末的粒度组成，又称粒度分布[1]。

因此严格讲，粒度仅指单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末体，但是通常说的粉末粒度包含有粉末的平均粒径的意义，也就是粉末的某种统计性平均粒径。

粉末粒度组成的表示比较麻烦，应用也不太方便，许多情况下只需要知道粉末的平均粒度就行了。

由符合统计规律的粒度组成计算的平均粒径称为统计平均粒径，是表征整个粉末体的一种粒度参数。

对于粒度的测试方法应根据粉末粒度范围、颗粒的形态材质以及测试的目的等不同要求而确定。

目前，粉末粒度的测试方法主要有以下几种测试方法：

①筛分法；

②显微镜法（SEM或TEM）；

③离心沉降法；

④激光散射法；

1.5硬质合金硬度

金属硬度检测主要有两类试验方法。

一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。

压痕投影面积、压痕的深度或压痕凹印面积的大小会反应硬度的大小。

布氏、韦氏、洛氏、努氏、巴氏、维氏的测试方法是静态试验测试法。

应用非常多的是布、洛、维这三种，在检测金属硬度时一般都采用这三种。

在产品检测时我们习惯用并且用的最多是洛氏硬度。

此外，肖氏和里氏硬度属于动态试验法，这是因为在试验过程中，我们所施加的力是动态和冲击性的。

对于大型和不方便移动产品的，我们通常用动态测试方法。

这里对于YG6试样硬度测试采用洛氏硬度测试方法。

1.6抗弯强度

硬度高、耐磨性好是硬质合金的主要特点，这些优点使得它被广泛用于冶金、矿山的开采、纺织、化工领域。

但是材料脆性较大是硬质合金的主要缺陷，这就要求我们充分认识它的抗弯强度等性能。

目前我们并没有在报刊发表有关硬质合金抗弯强度分散性研究的报道，但是我们了解到，材料的强度分散性会随脆性的增大而增大。

在材料中的碳化物以及粘结相的种类和含量、热处理工艺、烧结工艺、组织缺陷会影响材料的抗弯强度。

研究发现，材料表面状态和应力发布也会对硬质合金的抗弯强度造成影响。

1.7矫顽磁力

硬质合金中含有铁磁性物质钴，因而使硬质合金具有铁磁性材料的特性。

用磁场将硬质合金试样磁化，去掉外加磁场后，合金中仍保留一定的剩磁，必须加一个方向相反的磁场，此磁场强度称为矫顽磁力。

影响硬质合金矫顽磁力的因素有碳化钨晶粒度、碳平衡、钴含量、研磨时间[9]。

在晶粒度一定时，矫顽磁力随粘结相钴含量的增加而下降；当合金中的钴含量一定时，钴相的分散程度是影响矫顽磁力的主要因素，主要通过合金中的碳含量和碳化钨晶粒度起作用。

当合金中钴相含钨量减少，并且碳含量增加时，矫顽磁力也会随之降低。

在合金中出现含碳量不足的情况时，非磁性的脱碳相会生成,减少了磁性钴的含量,并且使钴相的分散程度变大,细化了碳化钨晶粒尺寸,从而矫顽磁力也随之增大。

矫顽磁力也会随合金中钴相的分散度增大和碳化钨晶粒尺寸的变细而增大。

最后，如果适当的提高烧结温度，可以使合金矫顽磁力降低。

第2章实验过程及方法

2.1实验原料

为了研究三种不同粒度WC对YG6硬质合金组织和性能的影响。

通过混料、压制、烧结等基本的粉末冶金工序，得到硬质合金试样，磨制金相试样，进行显微组织分析，测定其抗弯强度、硬度和矫顽力。

为了便于分析和提高试验的准确度，对每种晶粒大小的WC硬质合金产品分别做三个相同的试样，分为3组，分别为牌号为YG6X（序号为1、2、3）、YG6（序号为4、5、6）、YG6C（序号为7、8、9）的三组9个试样。

实验所用的主要原料是WC、Co粉，其粉末的技术条件如表2.1、2.2所示，其次还有无水酒精、Cr3C2/TaC晶粒长大抑制剂、成型剂（石蜡），有时还可以有CK料、炭黑、油酸（起分散作用）等。

（1）混合料配比

钴粉：

6%    WC粉：

93.6%Cr3C2/TaC：

0.4%

计算公式为：

（2.1）

试中：

d—合金的理论密度，克/厘米3

dWC—碳化钨的密度（取15.6），克/厘米3

dCo—钴的密度（取8.9）。

克/厘米3

x—碳化钨的含量，％；

y—钴的含量，％。

由上式可以求得硬质合金YG6的理论密度为15.0g/cm3

模具尺寸为：

所以单重M

g 其中压制9个 

单重M

g ，所需WC

g，Co=12.7g

表2.1WC粉末的技术条件[2]

组号

总碳

游离碳

Ca

Si

Fe

Fsss，μm

1

5.92±0.06

≤0.05

≤0.01

≤0.01

≤0.06

0.9～1.1

2

5.92±0.06

≤0.05

≤0.01

≤0.01

≤0.06

2.9～3.1

3

5.92±0.06

≤0.05

≤0.01

≤0.01

≤0.06

4.9～5.1

表2.2Co粉末的技术条件[2]

Co，%

Ni，%

O，%

C，%

Fe，%

松装密度g/cm3

Fsss，μm

≥99

≤1.0

≤0.45

≤0.1

≤0.35

0.7～0.8

≤.0.7

表2.3Cr3C2粉末的技术条件

总碳

游离碳

Ni

Si

Fe

Fsss，μm

6.75±0.05

≤0.1

≤0.15

≤0.04

≤0.08

3.5～5.5

（2）配料原则为

①所使用的原辅助材料必须满足技术条件的要求，按合金成分配料。

②按合金组织晶粒度要求选择原料粒度。

一般根据的原则为WC原始晶粒度与烧结后合金晶粒度相等。

③碳氧平衡

如果WC的总碳不能满足配料要求，可采取在湿磨的混合料中加入炭黑或钨粉。

加钨粉应按下列规则进行：

钴含量大于10%，加钨粉量不大于1.2%，钨粉越细越好，粒度小于1～1.2μm。

（3）添加剂的主要作用[6]

①可以使碳化物晶粒的长大得到抑制，降低合金性能对烧结温度和时间的敏感性；

②降低碳含量变化对合金性能影响的敏感性；

③改变合金相成分和钴相成分，改善合金性能；

④可以提高合金的耐热性和抗月牙注磨损的能力。

（4）成型剂（石蜡）主要作用

①将难熔金属硬质化合物（碳化钨、碳化钽等）、粘结金属（钴粉或镍粉）及少量添加剂（硬脂酸或依索敏），经过配料，在己烷研磨介质中进行混合和研磨，添加石蜡的料浆，再经真空干燥（或喷雾干燥）、过筛、制粒、制成掺蜡混合料；

②掺蜡混合料经鉴定合格，经过精密压制，制成高精度压坯；

③压坯经真空脱蜡烧结或低压烧结，制成硬质合金。

2.2实验设备

实验中主要设备和仪器有行星球磨机，YH41-25C液压机，脱蜡烧结气氛控制一体炉，93—I型矫顽磁力，洛氏硬度计，抛光机，8Vms-2000型金相图象分析系统。

2.3试样制备过程

准备实验所需样品原料，工艺流程如下：

一定量的WC、Co粉+酒精→湿磨→干燥→过筛→掺胶→压制成型→烧结→性能测试

2.3.1湿磨

湿磨的目的是将碳化物研磨至所需粒度,并与钴粉在一定范围内实现充分均匀混合,并具有较好的压制和烧结性能。

将按一定比例配好的由钴粉、WC粉、晶粒长大抑制剂Cr3C2/TaC等物料加入湿磨机进行球磨。

在湿磨过程中,只有破坏并分散颗粒团聚,确保物料被充分破碎和分散,才能保证粉末组元之间的有效混合,为喷雾干燥制粒提供高质量的混合物料。

目前,主要有滚动球磨和搅拌球磨这两种湿磨方式。

此实验我们采用滚动球磨。

其中影响湿磨程的基本因素有：

①磨筒转速

球体的运动状态是随筒体的转速而变的。

实践证明[1]

时，球体发生抛落；

时，球体滚动；

时，球体以滑动为主。

球的不同运动状态对物料的粉碎作用是不同的。

因而，在实践中采用

使球体产生滚动来研磨较细物料；如果物料较粗、性脆，需要冲击时，可采用

的转速。

球磨机的临界转速一般用下式表示[1]：

（2.2）

式中:

----磨筒的临界转速，r/min;

----球磨筒内径，m。

球磨过程中,球磨机的转速必须小于临界转速,才能使研磨球不紧贴着筒壁转动而与筒壁产生相对运动。

②装球量

在一定的范围内增加装球量可以提高研磨效率。

在转速固定时，装球量过少，球在倾斜面上主要是滑动，使研磨效率降低；但当装球量过多时，会使球层之间相互造成较大干扰，从而使球的正常循环遭到破坏，降低研磨效率。

我们通常根据随球磨筒的容积来确定装球量的多少，装填系数是装球体积与球磨筒体积的比值，一般球磨机的系数为0.4

0.5，当转速增大时，其值可相应有所增加。

装填系数

（2.3）

③球的大小

通常筒中的球体大小会影响物料的粉碎程度。

当采用的球直径太大或装球量不足时，会减少磨削面积和撞击次数，降低球磨效率；当采用的球体质量太轻，并且球的直径过小，则会使球对物料的冲击力变小[1]。

一般是大小不同的球的配合使用，球的直径一般按一定的范围选择:

（2.4）

式中：

----球磨筒内径。

因为材料的硬度会随物料的原始粒度的增大而增大，因此通常选大一点的球。

在一般情况下用5

10mm的硬质合金球研磨硬质合金混合料，选用10

20mm大小的钢球来研磨铁粉。

研磨WC-Co混合料时用5

10mm的球,多数情况用12

18mm的球来研磨WC-TiC-Co。

这里选用12

18mm的球来进行研磨。

④球料比

球与料的比例是研磨过程中应该十分注意的。

当料的量太少时，会增加球体之间的碰撞几率，造成磨损增大；如果装料太多，会减少磨削面积，要得到同样细的粉料则会增加研磨时间，消耗更大的能量。

此外，不能把料与球装得太满，否则会降低球磨效率。

通常是使球间的空隙填满并且使球体表面稍微掩盖住为原则，生产中一般采用3:

1或4:

1的球料比。

⑤研磨介质

湿磨介质必须具有很高的纯度,与混合料不发生任何化学作用,沸点低,一般于100%左右能挥发除去,且要求其表面张力小,不结团,无毒,无副作用,操作安全。

通常采用的湿磨介质为酒精、丙酮、己烷。

采用酒精时，一般固液比为1:

3。

具体采用何种湿磨介质,可根据生产厂家具体情况来选择。

⑥研磨时间

在各组元达到均匀混合以前,它们混合的均匀程度和碳化物颗粒的粉碎程度都随湿磨时间的延长而提高,合金的各项性能亦随之改善。

但切削试验表明,较长的湿磨时间对YG6合金性能并无多大的好处。

在一定的工艺条件下,过分延长湿磨时间则磨碎效率随之降低,碳化钨晶粒在烧结过程不均匀长大的倾向随之增大,因而使合金性能变坏。

如果需要制取晶粒很细的合金,则必须采用粒度较细的原始碳化钨,或者添加其它碳化物。

根据上面的影响因素并且按实验要求设定湿磨时间、湿磨机转速等参数分别如表2.2所示。

表2.2湿磨工艺

牌号

湿磨机转

速/分

硬质合金球

装料量/g

酒精加量/升

研磨时

间/小时

φ（mm）

重量/g

YG6X

36

12～18

750

163

0.375

96

YG6

36

12～18

750

213

0.375

36

YG6C

36

12～18

750

233

0.375

24

2.3.2干燥

混合料干燥与制粒的方法有很多，国内常用的有：

振动蒸汽干燥、喷雾干燥、双圆锥器真空干燥、大锅真空干燥、Z型干燥器真空干燥、圆筒制粒、喷雾制粒、压团制粒等。

其中喷雾干燥塔进行混合料干燥及制粒是目前国内外混合料生产厂家竞相选用的先进生产工艺[23]。

喷雾干燥用于大批量生产，干燥与制粒一次完成。

其优点是热效率高，干燥速度快，物料不被污染，出料率高，料粒细而均匀且稳定，流动性好，质软易碎，压制性能好。

喷雾塔内温度是靠加热的氮气来供应的。

用酒精作湿磨介质，一般喷雾干燥塔进口温度控制在180℃，出口温度控制在95℃，略高于酒精的沸点（82℃）温度。

但是根据我们现有的条件，我们选择的是真空干燥，真空度为780MP，干燥温度为115℃，干燥时间为3.5h。

真空干燥系统原理示意图如图2.1所示：

图2.1真空干燥系统

2.3.3过筛

一般为了使混料变的松散，较快冷却，并且去除浆料在干燥时可能产生的少量氧化结块料和减少物料氧化可以通过过筛来改善。

经过压碎、均匀化以及脱筛处理后才能通过正常压制获得“不脏化”的压坯。

本实验混合料选择过80目的筛，孔径20mm。

称量筛后的粉末的质量，记录数据。

2.3.4掺胶

掺胶是将增塑剂与粉末充分拌合，用来增加压制品的强度并且改善混料在压制时的成型性能，所采取的重要工艺过程。

它会影响粉末的压制性能，并且可能产生“未压好”、“断裂”、“分层”等压制废品，还会因增塑剂的局部富集，产生“脏化”和局部“渗碳”。

影响掺胶质量的有掺合方式、掺合前的准备、掺合工艺参数、溶剂排干和后继处理等无方面。

本实验中，在压制前加入汽油橡胶溶液，搅拌均匀，再通过干燥、擦碎、这样之后便可制粒。

当混合料为细颗粒时，可以在汽油橡胶的混合溶液中再加入少量石蜡，这样可以进一步改善成形性。

2.3.5压制

将混合料装入定型模腔内，在压力机冲头或其它