抗氧化WC基硬质合金的设计制备及摩擦学性能研究

LICP OpenIR

	抗氧化WC基硬质合金的设计制备及摩擦学性能研究
Alternative Title	无
	刘育林
Thesis Advisor	乔竹辉
	2019-05-27
Degree Grantor	中国科学院大学
Place of Conferral	北京
Degree Name	工学博士
Department	固体润滑国家重点实验室
Degree Discipline	材料学
Keyword	WC基硬质合金复合材料力学性能摩擦学性能抗氧化性能 WC-based hardmetals Composites Mechanical properties Tribological properties Oxidation resistance
Abstract	WC及其复合材料是最重要的刀具材料，提高WC基硬质合金的综合性能与降低材料的加工制造成本具有极为重要的商业价值。本文研究了WC基硬质合金在不同工况下的力学与摩擦学性能，并通过向WC中掺杂金属或氧化物微粒来改善材料的力学、摩擦学以及抗氧化性能。通常，WC基硬质合金中需要加入金属Co作为粘结剂来提高材料的强度和断裂韧性。然而，Co的加入会降低材料硬度，导致耐磨性下降。在切削加工过程中，硬质合金刀具与加工件之间因为剧烈摩擦会产生大量热量，导致刀具严重氧化。氧化是导致硬质合金刀具高温磨损的最主要原因之一。尽管Co的加入一定程度上抑制WC基体的氧化进程，使WC-Co表现出比纯WC更为优异的抗氧化性能，然而氧化生成的CoWO4氧化层极大地劣化了硬质合金的抗磨性。相同温度下，WC-Co的磨损率仍要远高于纯WC材料。因此，如何进一步提高WC基硬质合金的耐磨性和抗氧化性具有十分重要的科学意义和应用价值。本文具体的研究内容和结论如下： 1.研究了纯WC材料在真空与空气环境下25C~800C温度范围内的摩擦学性能。真空实验中，样品磨损表面与常温未磨样品表面的XRD图谱基本一致。这说明纯WC在真空中具有很高的相稳定性。SEM结果表明，随着实验温度升高样品磨损表面的WC颗粒经历了明显的软化过程，这是导致高温摩擦系数曲线波动及磨损率升高的原因。空气实验中，EDS结果表明随着温度的升高，磨损表面氧元素含量明显升高。相比真空摩擦实验，500C以下的XRD结果依然未显示出明显的相变化。然而，当温度超过500C时，XRD与拉曼结果均表明磨损表面上有大量氧化物生成。空气中，纯WC磨损表面的初次明显相变与磨损率明显升高发生在实验温度500C与550C之间。 2.对比研究了WC-Co与WC-Fe3Al硬质合金的力学性能和摩擦学性能。力学测试表明，WC-Fe3Al相较WC-Co具有更高的硬度。摩擦实验结果表明，在不同的干摩擦条件下，WC-Fe3Al比WC-Co具有更为稳定的磨损率。材料磨损表面的SEM扫描结果表明，WC-Fe3Al材料的磨损表面在相同的摩擦条件下产生更少的磨屑。拉曼图像表明，所有摩擦条件得到的WC-Co磨损表面上均可看到较强的氧化物峰，而WC-Fe3Al磨损表面的拉曼图谱中仅有无规碳峰的出现。这说明了WC-Fe3Al拥有更好的抗氧化性能。EDS面分布结果表明，生成的Al2O3颗粒普遍分布于WC-Fe3Al的磨损表面，这是导致WC-Fe3Al抗氧化性更好的原因。 3. 研究了Al掺杂WC-Co硬质合金的摩擦学性能。通过高能球磨，Al元素可以稳定地存在于WC中，进而使用SPS烧结炉成功制备Al-WC-Co三元复合材料。Al元素的加入有效地降低了WC-Co的密度，提高了材料的硬度。并且低量Al元素的加入可以提高材料的断裂韧性。此外，相比于WC-Co，Al掺杂WC-Co硬质合金在500C、600C与700C下拥有更为优越的抗氧化性能，相应的磨损率也有较大的下降，且下降幅度随着温度的升高而增大。高温下，Al元素可以替代Co、W元素优先被氧化而生成高温性能稳定的Al2O3，这是Al-WC-Co材料抗氧化性能优于WC-Co的主要原因。 4. 研究了WC-Al2O3-Co复合材料的制备及相关性能。在不降低断裂韧性的前提下，Al2O3颗粒的加入提高了材料的硬度。摩擦实验结果表明WC-Al2O3-Co的高温磨损率也要明显低于WC-Co。Al2O3在材料中的弥散分布不仅提高了样品的硬度，而且也降低了高温下材料表面的氧化程度，改善了WC-Co硬质合金的高温摩擦学性能。
Other Abstract	无
Document Type	学位论文
Identifier	http://ir.licp.cn/handle/362003/25303
Collection	中国科学院兰州化学物理研究所
Affiliation	1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学
Recommended Citation GB/T 7714	刘育林. 抗氧化WC基硬质合金的设计制备及摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019.

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