放电等离子烧结制备超细碳化钨材料.pdf

第４卷第４期２０１０年１２月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＶ０１．４。Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１０———文章编号：１６７３９９８１（２０１０）０４０５３４０４放电等离子烧结制备超细碳化钨材料罗锴，陈强，蔡一湘（广东省工业技术研究院（广州有色金属研究院），广东广州５１０６５１）摘要：采用超细ＷＣ粉末及放电等离子（ＳＰＳ）烧结工艺，制备了无粘结相硬质合金材料，并对材料密℃度、维氏硬度、组织形貌等进行了分析．结果表明，在１７００的烧结温度下可制备出密度１５．６２６ｇ／ｃｍ３、维氏硬度为２７２０虹・ｆ／ｒａｍ２的无粘结相硬质合金材料．关键词：放电等离子烧结；ＳＰＳ；碳化钨；无粘结相硬质合金中图分类号：ＴＧｌ３５．５文献标识码：ＡＷＣ－Ｃｏ硬质合金包括硬质相（ＷＣ）和粘结相，在一些强冲蚀磨损环境下，粘结相比硬质相更加容易被腐蚀和磨损，造成在一些领域的应用受到一定限制．考虑到消除粘结剂的影响，人们开发了一些不含Ｃｏ，Ｎｉ及Ｆｅ等粘结剂的无粘结相硬质合金，由于其具有比传统硬质合金更优异的耐磨性、抗腐蚀性等，而得到了广泛的应用，如密封环、阀门、轴承等零件中．碳化钨具有极高的熔点（３０４８Ｋ），故烧结温度高且烧结致密化困难．为此，国内外学者做了大量的研究工作．目前，制备无粘结相碳化钨硬质合金的方法有真空烧结＋热等静压、热压、气压烧结、ＳＰＳ（ｓｐａｒｋｐｌａｓｍａｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）和ＰＰＣ（ＰｌａｓｍａＰｒｅｓｓｕｒｅＣｏｍｐａｃｔｉｏｎ）等，其中ＳＰＳ（放电等离子烧结）的烧结时间短（几分钟），减少了烧结过程中晶粒长大的机会，有望获得致密的纳米晶粒块体材料，是目前研究较热门的烧结方法Ｅｌ－ｓ］．本文采用ＳＰＳ法对不含粘结相的超细ＷＣ粉末进行烧结，并对其晶粒尺寸及材料性能进行了初步的分析研究．１实验部分１．１原料及方法采用日本双日机械株式会社制造的ＳＰＳ－８２５放电等离子烧结设备（图１为ＳＰＳ放电等离子烧结实验设备简图），烧结不含粘结相的超细ＷＣ硬质合金材料．实验条件如下：采用真空烧结（真空度约１５Ｐａ），模具为高强石墨，其直径为２０ｍｍ，内衬石墨纸防止烧结粘连，然后分段加压，开始时对试样施加—约１０２０ＭＰａ预压力．升温到试样呈现收缩时，迅速加压到５０ＭＰａ．采用红外测温仪测温，升温速度为℃℃１００／ｍｉｎ，最后在烧结温度分别为１７００，１８００℃℃和１９００下，保温５ｍｉｎ．硬质合金原料粉末采用厦门金鹭生产的超细纯ＷＣ粉末，其性能参数列于表１．表１厦门金鹭超细ＷＣ粉末性能—收稿日期：２０１０－１０１９作者简介：罗锴（１９６８－－）。男，重庆人，工学硕士，高级工程师万方数据第４卷第４期罗锴．等：放电等离子烧结制备超细碳化钨材料５３５１加压图１ＳＰＳ放电等离子烧结实验设备简图１．２测试方法及仪器试样的密度用阿基米德排水法测定，物相分析—采用日本理学Ｄ／ＭＡＸＲＣＸ射线衍射仪（铜靶，１．５４０６Ａ），晶粒大小采用Ｘ射线小角度衍射法测试及采用ＪＳＭ一６３３０Ｆ型冷场扫描电镜观察；金相腐蚀—采用Ｍｕｒａｋａｍｉ侵蚀剂，侵蚀时间为４５ｍｉｎ；硬度的测量采用ＨＸＤ－１０００ＴＭＣ／ＬＣＤ型显微硬度计，所用载荷为５Ｋｇ，保荷时间１５ｓ．２结果与分析２．１材料烧结密度℃℃℃表２为１７００，１８００和１９００三个温度下℃ＳＰＳ烧结材料的密度．可见，经１７００烧结，材料已基本致密（ＷＣ理论密度１５．６３ｇ／ｃｍ３），再升高烧结温度对材料致密化已无太大意义．表２不同温度烧结材料的密度℃烧结温度／密度／（ｇ・ｃｍ－３）１７００１８００１９００１５．６２６１５．６４８１５．６０２２．２材料维氏硬度表３列出了不同温度烧结后材料的维氏硬度，每个样品测试了３个点．通过比较发现，随着烧结温度的提高，材料的硬度呈下降的趋势，可能是较高的烧结温度引起了晶粒长大．表３不同温度烧结材料的维氏硬度℃烧结温度／维氏硬度值／（ｋｇ・ｆ・ｍｍ｜２）２．３相分析及组织形貌原料粉末Ｘ射线衍射图谱如图２所示，对照—ＡＳＴＭ标准数据确定为单一ＷＣ相．通过公式ｐｋ；ｔ／（Ｄｃｏｓ０），其中口为衍射峰半高、ｋ为形状因子、Ａ为衍射波长、口为衍射角，计算出粉末的平均晶粒尺寸为２３．８ｎｍ．图２ＷＣ粉末原料Ｘ射线衍射图图３ＳＰＳ试样Ｘ射线衍射图℃同样，分别对三个烧结温度下（１７００，１８００℃℃和１９００）的硬质合金试样进行Ｘ射线衍射分析（图３）．分析表明，三个温度烧结的试样均为单一的ＷＣ相，不存在缺碳相（Ｗ：Ｃ相）．表明原料粉末万方数据５３６材料研究与应用２０１０碳含量值［４］设计合理（Ｃ／Ｗ比值接近１），ＳＰＳ烧结过程未产生缺碳相Ｗ：Ｃ相．计算出三个温度下烧结试样的平均晶粒尺寸分别为２２．５ｎｍ，２２．９ｎｍ和３０．９ｎｍ．ＳＰＳ烧结过程由于时间短，晶粒未能长℃大，但在高温时（１９００），晶粒开始长大．结合前面的材料密度和维氏硬度数据可知，超细ＷＣ粉末在℃低于１８００的温度下，采用ＳＰＳ烧结工艺可以达到良好的致密化和硬度，且可以避免高温烧结情况下的晶粒长大．３结论图４为ＳＰＳ烧结试样在ＪＳＭ一６３３０Ｆ场发射扫℃描电镜下的形貌．１７００烧结后，碳化钨颗粒结合紧密，晶粒大小约２００～３００ｎｍ，有少量晶粒达到５００ｎｍ，与ＷＣ粉末形貌中颗粒大小基本一致，同℃时可以看见试样中存在孔洞．１８００烧结后，发现℃碳化钨晶粒已长大，试样中孑Ｌ洞明显变大；１９００烧结后，碳化钨晶粒明显长大成粗大的板条状，棱角分明，部分晶粒尺寸接近１℃ｔＬｍ，孔洞量相对１８００试样变少、变小且趋圆．图４超细ＷＣ粉末ＳＰＳ烧结后形貌图℃℃℃（ａ）超细ＷＣ粉末；（ｂ）１７００烧结后；（ｃ）１８００烧结后；（ｄ）１９００烧结后采用超细ＷＣ粉末和放电等离子烧结（ＳＰＳ）方℃法，在１７００下制备出无粘结相纯碳化钨硬质合金材料；该材料的密度可达１５．６２６ｇ／ｃｍ３，接近纯碳化钨密度，维氏硬度可达２７２０ｋｇ・ｆ／ｒａｍ２；在１７００。Ｃ下，无粘结相纯碳化钨硬质合金材料晶粒粒径为２００～３００ｎｍ，与原料粉末粒径基本一致，再升高烧结温度后，出现晶粒长大及孑Ｌ洞．参考文献：［１］ＥＮＧＱＶＩＳＴＨ，ＩＭ）ＴＴＯＭＧＡ，ＡＸＥＮＮ。ｅｔ—ａ１．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒｏｆｂｉｎｄｅｒｌｅｓｓｃａｒｂｉｄｅＥＪ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙ，２０００，８３（１０）：２４９—１２４９６．［２］ＩＭＡＳＡＴＯＳ，ＴＯＫＵＭＯＴＯＫ，ＫＩＴＡＤＡＴ，ｅｔａ１．ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｕｌｔｒａｆｉｎｅｇｒａｉｎｂｉｎｄｅｒｌｅｓｓｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅＲＣＣＦＮｒ－Ｊ］．ＩｎｔＪｏｆＲｅｆｒａｃｔｏｒｙＭｅｔａｌｓ＆Ｈａｒｄ—Ｍａｔｅｒｉ—ａｌｓ，１９９５，１３：３０５３１２．万方数据［３］罗锡裕．放电等离子烧结材料的最新进展［Ｊ］．粉末冶金工业，２００２，１１（６）：７－１６．［４３张国珍，王澈，张久兴，等．配碳量对放电等离子烧结无粘结剂纳米ＷＣ硬质合金的影响［Ｊ］．稀有金属与硬质—合金，２００５，３３（２）：１２１５．ＵｌｔｒａｆｉｎｅｂｉｎｄｅｒｌｅｓｓｔｕｎｇｓｔｅｎｃａｒｂｉｄｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｓｐａｒｋｐｌａｓｍａｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓＬＵＯＫａｉ，ＣＨＥＮＱｉａｎｇ，ＣＡＩ—Ｙｉｘｉａｎｇ“℃（渤ｎ竹ｇｚ幻ＲＰ５鲫．Ｉｌ“Ｉｎｓｔｉｔ地。ｆＮｏｎ一知ｒＩ＇ＯＵｓＭｅｔ口ｌｓＰｏｗｄｅｒ“Ｍｅｔ口ＩＩｒｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ“Ｉｎｓｔｉｔ地，Ｇｕａ／＇／ｇｚｈ。＂５１０６５１，Ｃｈｉｎ口）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｎｄｅｒｌｅｓｓｔｕｎｇｓｔｅｎｃａｒｂｉｄｅｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｓｐａｒｋｐｌａｓｍａｓｉｎｔｅｒｉｎｇ（ＳＰＳ）ｐｒｏｃｅｓｓ，ｕｓｉｎｇ—ｕｌｔｒａｆｉｎｅｐｕｒｅＷＣｐｏｗｄｅｒ．Ｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙ，ＶｉｃｋｅｒｓＨａｒｄｎｅｓｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｉｎｔｅｒｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｅｒｅ—ａｎａｌｙｓｅｄｉｎｔｈｅｐａＰｅｒ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕＩｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ，ａｆｔｅｒｓｉｎｔｅｒｅｄａｔ１℃７００ｂｙＳＰＳ＇ｔｈｅｂｉｎｄｅｒｌｅｓｓｔｕｎｇｓｔｅｎｃａｒｂｉｄｅｃａｎｇｅｔｄｅｎｓｉｔｙｏｆ１５．６２６ｇ／ｃｍ３ａｎｄＶｉｃｋｅｒｓＨａｒｄｎｅｓｓｏｆ２７２０ｋｇ。ｆ／ｍｍ２・Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｒｋｐｌａｓｍａｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ＳＰＳ；ＷＣ；ｂｉｎｄｅｒｌｅｓｓｔｕｎｇｓｔｅｎｃａｒｂｉｄｅ万方数据