超细晶WC–Co硬质合金微波烧结的晶粒生长及合金性能研究

Grain size is the main influence factor of hard metal properties, and grain refinement offers an effective way for improvement of the strength and toughness. Because of the advantages such as high efficiency, low energy consumption and no harm to environment, microwave sintering has become the most promising technology for manufacturing of ultrafine hard metals. In this project, the grain growth of the typical hard metals prepared by microwave sintering will be systematically studied to reveal the mechanism of elements migration, mobility of the WC ( W, C ), Co component, and the dissolution and precipitation characteristics of W in bond Co phase under the microwave effect. The interactions of C element with environment medium such as the heating insulation materials or the protection gas will be studied and the "C removal" rule will also be discussed. Based on the mechanism study and the optimized microwave sintering technology, the project will offer a theoretical and technical reference for microstructure control and properties improvement of the ultrafine hard metals or the metal ceramic powder materials.

晶粒大小是影响硬质合金材料的关键组织特征，晶粒的细化已成为提高硬质合金强度与韧性等综合性能的主要技术途径。微波烧结以快速、节能、环保等技术特点已成为制造超细硬质合金材料的前沿技术之一。本研究拟在前期工作的基础上，较系统研究典型硬质合金材料体系微波烧结的晶粒长大规律，探索WC（W、C）、Co等组元在微波烧结中的物质迁移与流动、及WC晶粒生长的机理与规律，特别是微波作用下W在粘结相Co中的溶解与析出特征对WC晶粒生长的影响规律；以及C在微波作用下与烧结环境介质如加热保温材料、气氛等的相互作用和由此产生的"脱碳"特征与规律；并结合与之攸关的合金组织，研究微波烧结下典型硬质合金材料的组织性能关系。本项目的实施，既可直接为超细硬质合金材料的微波烧结技术应用提供指导，也可为金属陶瓷粉体材料制备中的相关应用提供理论参考。

在硬质合金的发展方向中细小晶粒的有效控制是提高其力学性能的重要途径。具有快速加热、体积加热、环境友好等技术特点的微波烧结方式为制造超细硬质合金材料提供了重要的技术手段。因此，利用微波烧结技术来调控硬质合金的显微组织结构和微区成分是实现微波烧结技术制备硬质合金的重点和关键。本研究采用多模腔微波高温烧结炉成功制备了WC-8Co硬质合金，系统研究了WC-Co硬质合金材料体系中微波烧结的晶粒长大规律，特别是微波作用下W在粘结相Co中的溶解与析出特征对WC晶粒生长的影响规律，探索了WC在Co粘结相中的溶解扩散析出机理，以及碳在微波作用下与烧结环境介质之间的相互作用。结果表明：微波烧结硬质合金试样的温度能够瞬时响应微波输入功率，脱脂和烧结周期都比真空烧结大幅缩短；压坯密度对微波升温速率的影响很小，但是合金单组元压坯对微波的响应差异较大，WC压坯的升温速率最高，Co压坯在1100-1150°C时升温曲线出现波动，WC-8Co压坯的升温速率介于两者之间，致密合金的升温速率在高温阶段显著滞后于压坯的升温速率；微波条件下纯氮气和氮、氢混合气体对合金的表层脱碳有促进作用，气氛中存在甲烷容易造成合金表层严重渗碳，纯氩气有利于控制合金的碳势，但容易在高温阶段发生热失控；在混料时添加炭黑的方法可以改善合金的脱碳现象，有利于合金力学性能的提高，超细WC-8Co（0.15μm）合金总碳量调整为6.08 wt.%时，硬度和抗弯强度分别达到93.2HRA和3200MPa；提高环境碳势可以避免合金表层脱碳。对WC-8Co硬质合金的微波烧结致密化过程和WC晶粒粗化动力学进行了分析，发现烧结温度为1300°C时合金的收缩速率显著增加；当烧结温度低于1280°C时，显微组织中存在大量未发育完全的粉末细微颗粒，超过1300°C时，粉末颗粒已经完全消失，晶粒完全呈现出棱柱形状，通过计算得到微波烧结WC-8Co硬质合金WC晶粒的粗化表观活化能为84.48kcal/mol，明显低于真空烧结；提出了热点加热理论和局部液相烧结机理可以解释微波制备试样的显微组织中存在细晶粒包围粗晶粒，粗细晶粒相间分布的特点。通过本项目的实施为开发和制备出适合高技术领域的性能优异、质量稳定的WC-8wt.%Co硬质合金制品提供重要的技术途径和理论依据，同时也为金属陶瓷材料制备的相关应用提供理论参考。