基本信息
- 項目名稱：
- 等離子束原位冶金制造復合碳化鎢硬質(zhì)合金刀頭
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 基于傳統(tǒng)的WC硬質(zhì)合金的粉末冶金生產(chǎn)工藝原材料浪費嚴重，工藝流程復雜，耗能高。本作品利用等離子原位冶金技術制備復合WC系硬質(zhì)合金，工藝流程簡單，WC類硬質(zhì)相從高溫熔體中原位生成，耗能低，效率高。制得的新型硬質(zhì)合金刀頭硬質(zhì)相顆粒分布均勻，平均顯微硬度可達到1746HV左右；在200N、250N載荷下的耐滑動磨損性能已和YG13C相當，并且生產(chǎn)成本大大降低。
- 詳細介紹：
- 等離子束原位冶金技術是以等離子弧為熱源，采用同步送粉方式，在基體材料上原位獲得均勻致密的復合碳化鎢硬質(zhì)合金，且合金和金屬基體呈現(xiàn)良好冶金結(jié)合。工作效率高，成本低。等離子原位冶金制備的復合碳化鎢（WPC）硬質(zhì)合金具有高硬度、高紅硬性、高耐磨性和一定的強韌性等一系列優(yōu)點。利用等離子原位冶金技術制備的塊體復合WPC材料，符合當前國家大力提倡的發(fā)展低碳經(jīng)濟，實現(xiàn)節(jié)能減排的大背景，具有十分重要的學術、經(jīng)濟、社會和環(huán)保意義。本文利用等離子原位冶金技術成功制備了復合WPC硬質(zhì)合金，并借助金相顯微鏡、SEM、能譜儀、XRD、顯微硬度計及滑動磨損試驗機對其顯微組織、物相及性能等進行了分析測試。實驗結(jié)果顯示，復合WPC硬質(zhì)合金內(nèi)部組織致密，原位生成的WC、W2C、Fe3W3C等相為合金的主要硬質(zhì)相，硬質(zhì)相和Fe基粘結(jié)相結(jié)合緊密。200N載荷下的耐滑動磨損性能已和YG13C相當，但在300N載荷下的耐磨性稍差。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 本作品旨在尋求一種高效率短流程的制備高硬度高耐磨性合金的生產(chǎn)工藝。利用直流電弧等離子束流產(chǎn)生的高能量加送粉器同步送粉來進行原位冶金，粉末在事先打好盲孔的基體內(nèi)迅速熔融反應。過程中不會混入其它的雜質(zhì)，且原料利用率很高，粉末成分配比可隨時更換，生產(chǎn)流程短，原位冶金過程中也不會產(chǎn)生污染，制備過程中的運動軌跡可人工控制。本技術的核心裝置是等離子束同步送粉器和強度可調(diào)的等離子矩的產(chǎn)生及控制。
科學性、先進性及獨特之處
- 本技術研究了W、C等元素在高溫熔體中的反應特點，發(fā)現(xiàn)了在過熱液相中原位冶金反應生成粗晶WC的現(xiàn)象，晶粒硬度高、分布均勻，和基體相結(jié)合緊密，耐磨性能優(yōu)良。 開發(fā)性的將等離子束技術與原位冶金技術良好的結(jié)合起來，性價比很高；省去了普通生產(chǎn)工藝中的鑄造、焊接、機加工等環(huán)節(jié)，生產(chǎn)效率大大提高；本實驗開發(fā)了生產(chǎn)新型采掘刀具的制備工藝，且工藝簡單，質(zhì)量可控，清潔無污染；
應用價值和現(xiàn)實意義
- 1）提高了資源利用率。利用原料粉末直接原位合成，節(jié)約了大量能源和貴重的球磨、真空燒結(jié)等裝備，成本降低； 2）最佳工藝制得的硬質(zhì)合金刀頭的平均顯微硬度可達到1746HV左右，組織內(nèi)部WC等硬質(zhì)相顆粒均勻分散在較軟的Fe基體相內(nèi)，材料的耐磨性良好。 3）本技術也適用于其它強碳化物形成元素的合金的制造，尤其是高熔點金屬的原位冶金，如TiC、VC、Cr7C3等碳化物的原位生成。
學術論文摘要
- 等離子弧的熱量作用下，本試驗過程可以認為是液相原位冶金過程，包括了溶解和析出過程。在截齒齒頂孔內(nèi)形成了高溫熔池，獨特的物理和化學冶金特征又使得熔池中形成了有利的熱力學和動力學條件,使得加入的各種元素能夠反應形成各種相。SEM分析得知，WPC（WC、W2C）顆粒形狀為規(guī)則的矩形和少量三角形，明顯區(qū)別于加入的原始顆粒形狀，這也說明這些顆粒是從熔池中的W和C反應析出的產(chǎn)物。析出的組織形態(tài)和大小取決于W、C元素的溶解富集以及熔池的保持時間等因素，所以提高溶解進入熔體的W、C含量和提高熔池的高溫保持時間都將有助于WPC顆粒的長大，并能夠生長出大于20μm的WPC顆粒。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 本研究數(shù)據(jù)可靠，情況真實。
參考文獻
- [1] 王淑峰, 李惠琪, 遲靜, 李敏．等離子原位冶金快速制備復合碳化鎢硬質(zhì)合金的研究[J]．山東科技大學學報, 2010, 29(1)：85-89. [2] 陳獻廷. 硬質(zhì)合金使用手冊[M]．北京: 冶金工業(yè)出版社, 1986, 184-190. [3] 黃新民. 材料分析與測試方法[M]. 國防工業(yè)出版社, 2009. [4] 李惠琪, 李惠東, 李敏等．DC-Plasma-Jet原位冶金技術研究[J]. 材料導報, 2004, 18(10): 194-197. [5] 趙程, 田豐, 侯俊英．等離子弧金屬表面熔覆處理的研究[J]. 金屬熱處理, 2002, 27(2): 3-5. [6] 李勇, 謝淑華. WC粗晶硬質(zhì)合金的研究進展[J]. 材料研究與應用, 2009, 3, (2): 77-80. [7] 陳熙. 熱等離子體傳熱與流動[M]. 北京: 科學出版社, 2009.
同類課題研究水平概述
- 1. 國外研究現(xiàn)狀 目前硬質(zhì)合金的制備主要采用粉末冶金技術，粉磨后混合均勻的WC-Co粉體采用等靜壓真空燒結(jié)等技術在一定溫度下燒結(jié)而成，對于WC顆?？刂频难芯恐饕性诔毦C和粗晶WC兩個方向。在近幾十年的研究中瑞典、美國、日本等國走在前列，瑞典Sandvik公司、美國Nanodyne公司以及德國、奧地利等國在超細晶粒的研究上都很出色，能夠生產(chǎn)出直徑小于50nm的WC-Co粉末，美國的金屬碳化鎢公司自上世紀四十年代就已經(jīng)開始了礦山開采刀具方面的研究，現(xiàn)在已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)鏈式的生產(chǎn)。對于粗晶WC的研究，美國的Kennametal公司是世界采礦和硬質(zhì)刀具的領頭羊，其生產(chǎn)的高硬度合金刀頭與我國的相比還有很大的優(yōu)勢；瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的粗晶WC硬質(zhì)合金晶粒度能達到10μm以上；德國在1946年之前就開始了鑲嵌WC系合金刀頭的研究，目前制造出一系列的粗晶鉆探頭，WC顆?？蛇_到4μm的級別。 2． 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國在與硬質(zhì)合金的研制方面的起步較晚，但也取得了一定的進步，對于此項的研究集中在沈陽金屬研究所、北京有色金屬研究總院、株洲硬質(zhì)合金集團、中山大學等科研機構(gòu)，與國外的差距主要在于：超細晶方面WC顆粒大小、粒度分布的均勻度還有較大差距；粗晶方面，WC粉末顆粒彌散度差，容易產(chǎn)生顆粒集中現(xiàn)象，強度硬度不如國際先進產(chǎn)品。細晶粒WC研究方面，北京有色金屬研究總院毛昌輝等通過高能球磨制備出的WC顆粒的大小約為10nm，株洲硬質(zhì)合金公司等機構(gòu)都掌握了制造100-200nm級別的WC粉體制造技術。粗晶WC研究方面，李玉璽等人通過在WO3原料粉末中加入促進晶體生長的添加劑，使WC顆粒在還原過程中更容易沉積生長，在低溫還原的同時加入微量的Co元素，再高溫碳化，制備出了顆粒直徑大于35μm的特粗碳化鎢粉體。何憲峰等人采用二步碳化法制備出了優(yōu)質(zhì)粗晶WC粉體,該粉體具有化合碳高,游離碳低,為單一相,有害雜質(zhì)含量少,晶粒均勻,晶內(nèi)亞晶尺寸均勻,不含顯微缺陷,較低的位錯密度等特性,并解決了WC炸裂問題，已用該粉體作原料為用戶批量提供性能優(yōu)異的硬質(zhì)合金。隨著WC顆粒的增大，其對于裂紋的敏感性也會逐漸降低，對于基體的保護作用也會增強，制備粗晶碳化鎢硬質(zhì)合金對于當今礦山、公路、掘進方面發(fā)展有著至關重要的作用。
