高性能再生硬质合金的制备与机理研究

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WC-Co硬质合金由于具有高的硬度、耐磨性、抗压强度和良好的韧性等一系列优异的力学性能而广泛应用于机械加工、模具和耐磨件,不可避免地产生了大量的废旧硬质合金。因此,其回收再生问题也一直是相关企业关注的焦点。本文利用氧化-原位还原碳化的方法对废旧WC-Co硬质合金进行回收再生,合成得到再生WC-Co复合粉,进而对其进行烧结致密化制备再生WC-Co硬质合金块体材料。由此开发出一条短流程、节能环保的高性能再生硬质合金生产工艺路线。  利用热力学模型对WC、Co、VC、Cr3C2、和WC-Co硬质合金的氧化及其氧化物和炭黑的还原碳化过程进行了可行性预测和分析,以此为指导进行了氧化和还原碳化实验研究,结果证明了模型的正确性。  利用优化后的原位还原碳化反应工艺合成再生WC-Co复合粉。研究了配碳量、热处理温度以及晶粒长大抑制剂的添加量对再生WC-Co复合粉物相和成分组成的影响。利用工艺优化后的原位还原碳化反应,可合成得到由WC、Co两相和少量缺碳相(Co6W6C)组成、平均粒径分别为390nm和600nm的再生WC-6wt.%Co复合粉和再生WC-16wt.%Co复合粉。再生WC-16wt.%Co复合粉的化学成分满足原生WC-Co复合粉的要求。热处理可进一步调节再生复合粉的化学成分,特别是复合粉中的总碳、游离碳和氧含量。晶粒长大抑制剂的添加有利于消除再生复合粉中的缺碳相。  研究了原料粉末中配碳量、再生WC-Co复合粉的热处理温度和晶粒长大抑制剂的添加量对低压烧结制备得到的再生WC-Co硬质合金的物相、显微组织和性能等的影响。结果表明:对经过热处理的再生WC-6wt.%Co复合粉进行低压烧结,可制备得到仅由WC和Co两相组成的再生WC-6wt.%Co硬质合金块体材料。当热处理温度为850℃C时,再生合金的横向断裂强度为2510MPa,同时具有较优良的硬度和断裂韧性。原料粉末中的配碳量对低压烧结制备的再生硬质合金的物相、显微组织和性能有明显影响,当配碳量为16.60%时,可制备得到物相纯净、断裂韧性达到23.05MPa·m1/2同时横向断裂强度达到4020MPa的高性能再生WC-16wt.%Co硬质合金。再生WC-16wt.%Co复合粉中添加晶粒长大抑制剂可明显降低再生合金的平均晶粒尺寸。当晶粒长大抑制剂的添加量为0.2%VC和0.2%Cr3C2时,可获得密度为13.85g/em3,硬度为1406HV,韧性为16.35MPa·m1/2同时横向断裂强度为4496MPa的高性能再生WC-16wt.%Co硬质合金。  对再生WC-16wt.%Co硬质合金具有高强度和高韧性的原因进行了分析,结果表明,再生合金具有Co相分布均匀、Co相平均自由程高且WC晶粒邻接度低的特点,合金中的Co相通过塑性变形松弛和释放应力,同时WC晶粒中的可动位错使其具有一定程度的塑性变形能力,这些都是提高再生硬质合金的断裂韧性和横向断裂强度的重要原因。  本文对再生WC-Co复合粉和再生WC-Co硬质合金进行了表征分析,并系统研究了影响再生WC-Co硬质合金性能的因素及其作用机理,本研究为废旧WC-Co硬质合金的回收再生提供了创新的技术途径。
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