CN109652700A - 一种强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金 - Google Patents

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Abstract

为了改善WC‑Co硬质合金的硬度、耐磨性，制备了一种强流脉冲离子束辐照WC‑Co硬质合金。采用含90wt%WC、10wt%Co的WC‑Co硬质合金为原料，硬质合金内部的物相组成对硬质合金的性能有着重要影响，强流脉冲离子束辐照对硬质合金性能的提升主要表现在促进硬质合金内部的物相转变，使硬质合金内部的不稳定相向稳定相转变。强流脉冲离子束辐照的强度越大，物相转变进行的更容易，发生转变的不稳定相越多。所制得的强流脉冲离子束辐照WC‑Co硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC‑Co硬质合金提供一种新的生产工艺。

Description

一种强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金
所属技术领域
本发明涉及一种硬质合金材料，尤其涉及一种强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金。
背景技术
硬质合金是由一种或多种高硬度、高模量的间隙化合物与过渡族金属或其合金组成的复合材料，其具有高硬度、高强度、耐腐蚀、耐磨损、高弹性模量、热膨胀系数很低以及化学稳定性很好等特点，在钻具、刀具、耐磨耐腐零部件等方面有广泛应用，有“工业的牙齿”美称。如何有针对性的依用途研究或开发高性能材料是该领域的研究热点。
强流电子束和离子束是束流强度达几十万以至上百万安培的束流。它比通常加速器的束流密度高几万倍以至几十万倍。20世纪60年代初期，由于模拟核***条件下γ射线辐照效应和X射线照相的需要，强流脉冲电子束加速器得到了迅速发展，70年代后，由于粒子束惯性约束聚变、电子束抽运气体激光器、电子束产生高功率微波等研究工作的要求，研制了低电压大电流的电子束加速器，并在这些技术的基础上获得了强流脉冲离子束。
发明内容
本发明的目的是为了改善WC-Co硬质合金的硬度、耐磨性，设计了一种强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的制备原料包括：含90wt%WC、10wt%Co的的WC-Co硬质合金。
强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重，然后用金刚石试纸进行打磨，打磨后倒入行星球磨机中进行湿磨，球料比为6：1，球磨时间为24h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形。将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。
强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的检测步骤为：物相分析采用SHI6000型X射线衍射仪，表面形貌采用JSM5600型扫描电子显微镜，表面轮廓及粗糙度采用Surf4000型表面轮廓仪，针尖曲率半径为2μm，表面元素分布采用SHI1600型电子探针，显微硬度采用HXD1000型维氏显微硬度计。
所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，硬质合金内部的物相组成对硬质合金的性能有着重要影响，强流脉冲离子束辐照对硬质合金性能的提升主要表现在促进硬质合金内部的物相转变，使硬质合金内部的不稳定相向稳定相转变。强流脉冲离子束辐照的强度越大，物相转变进行的更容易，发生转变的不稳定相越多。
所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，强流脉冲离子束辐照的强度对硬质合金性能的提升有着重要影响。强流脉冲离子束辐照的强度需要控制在一个精确的范围内。强流脉冲离子束辐照的强度过高会导致硬质合金表面产生烧蚀。强流脉冲离子束辐照的强度过低则导致物相转变不完全。合适的强流脉冲离子束辐照强度为10次/分。
所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，强流脉冲离子束辐照对硬质合金强度提升表现在使硬质合金具有更均匀、更稳定的内部结构，使得硬质合金的致密化程度提高。经过强流脉冲离子束辐照的硬质合金，其力学性能得到一定程度的提升。
本发明的有益效果是：
采用含90wt%WC、10wt%Co的的WC-Co硬质合金为原料，经过配料、打磨、球磨、干燥、成形、烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金。其中，强流脉冲离子束辐照对硬质合金性能的提升体现在促进硬质合金内部的物相转变，使硬质合金具有更稳定、更均与的内部结构，从而具有更高的致密化程度，提升硬质合金的力学性能。所制得的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本发明能够为制备高性能的WC-Co硬质合金提供一种新的生产工艺。
具体实施方式
实施案例1：
强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的制备原料包括：含90wt%WC、10wt%Co的的WC-Co硬质合金。强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重，然后用金刚石试纸进行打磨，打磨后倒入行星球磨机中进行湿磨，球料比为6：1，球磨时间为24h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形。将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的检测步骤为：物相分析采用SHI6000型X射线衍射仪，表面形貌采用JSM5600型扫描电子显微镜，表面轮廓及粗糙度采用Surf4000型表面轮廓仪，针尖曲率半径为2μm，表面元素分布采用SHI1600型电子探针，显微硬度采用HXD1000型维氏显微硬度计。
实施案例2：
原始WC-Co硬质合金试样表面比较平整，但存在一些不规则的空洞缺陷，同时可以观察到明显的磨制痕迹。WC-Co硬质合金表面未发生明显的重熔，但强流脉冲离子束辐照的热冲击作用使硬质合金表面变得致密，束流密度增加至115A/cm2，硬质合金表面磨制痕迹完全消失，出现大量密集的烧蚀孔，形成尺寸较小的丘状凸起重熔烧蚀形貌，同时，辐照表面附着较多白色烧蚀颗粒。继续增加束流密度至180A/cm2，WC-Co硬质合金表面出现尺寸较大的烧蚀孔和丘状凸起，但表面白色烧蚀颗粒减少，辐照表面有微裂纹形成，其形成源于强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金表面快速加热熔化与快速冷却的非平衡过程；增加辐照次数至8次，表面烧蚀孔减少，丘状凸起的尺寸明显增大，同时，表面出现网状裂纹，继续增加辐照次数至12次，表面凸起尺寸继续增大，形成网状峰-谷重熔烧蚀形貌，同时，表面烧蚀孔、烧蚀颗粒减少，表面裂纹网密度增大。值得注意的是，较高束流密度180A/cm2，多次辐照硬质合金表面出现微区光滑致密化的特征，这与强流脉冲离子束辐照硬质合金表面反复的重熔与烧蚀过程紧密相关。
实施案例3：
原始WC-Co硬质合金表面存在空洞缺陷；表面O元素出现偏聚，偏聚的位置正对应于WC-Co硬质合金表面空洞处，这些氧一部分可能来自于硬质合金烧结过程，一部分可能来自于试样的制备过程；而表面C、W、Co元素呈区域分布，这与WC-Co硬质合金的WC硬质相和Co粘结相烧结复合结构相关。10次辐照后，WC-Co硬质合金表面形成典型的峰-谷烧蚀重熔形貌，并且辐照表面出现网状裂纹。表面O元素分布均匀，但含量较原始硬质合金减少，表明强流脉冲离子束的反复辐照使硬质合金表面的氧去除；辐照表面C、W元素分布均匀，而Co元素在凹坑处富集，这与辐照硬质合金表面Co粘结相择优烧蚀有关，由于金属Co的熔点和沸点远低于WC相的熔点和沸点，HIPIB辐照的热效应使硬质合金快速加热，表面温度超过Co粘结相的沸点但低于WC相的沸点，导致Co粘结相发生优先烧蚀，而WC相仅发生熔化，同时，液滴的喷射反冲对重熔的WC-Co硬质合金表面产生扰动，快速冷凝形成具有丘状凸起特征的重熔烧蚀形貌。
实施案例4：
随束流密度和辐照次数的增加，Co粘结相的衍射峰强度减弱，辐照过程中Co粘结相发生优先烧蚀；同时，WC相的衍射峰强度也随之减弱，辐照过程中硬质合金表层发生了较强的塑性变形，形成了一定程度的择优取向，产生了形变织构。
实施案例5：
界面相的形成取决于两方面的因素，即碳成分变化与快速冷却。界面相是一种缺碳相，其形成源于WC中碳元素损失，而碳原子的损失可归结为C与O发生高温反应，形成CO或CO2从硬质合金表面逃逸出去。界面相是一种高温面心立方相，须采用极快的冷却处理，才能在室温获得该高温面心立方相。HIPIB辐照快速加热与快速冷却的非平衡过程满足了界面相形成的上述两个条件。HIPIB辐照的快速加热使WC-Co硬质合金表面发生快速重熔，促使WC相中的C与O发生高温反应，导致WC相中C的流失，形成界面缺碳相，辐照硬质合金表面的烧蚀孔证明了HIPIB辐照过程中C与O发生高温反应，形成CO或CO2从硬质合金表面逃逸出去；HIPIB辐照脉冲结束后的快速冷却冻结了该高温组织，使其来不及分解而保留下来。
实施案例6：
原始WC-Co硬质合金试样表面显微硬度为1943。HIPIB辐照硬质合金表面硬度随束流密度的增加呈先增加后减小的趋势，束流密度为80A/cm2，WC-Co硬质合金表面硬度增加至2134。HIPIB辐照WC-Co硬质合金表面硬度的变化取决于辐照硬质合金表面组织的变化。HIPIB辐照在硬质合金表面产生显著的热-力学效应，引发WC-Co硬质合金表面发生快速重熔与Co粘结相的优先烧蚀，随后快速冷却导致硬质合金表面重熔致密化、粘结相减少、六方α-WC相向立方界面相转变以及表面微裂纹的形成。表面重熔致密化与Co粘结相减少可使硬质合金硬度增加，因为WC-Co硬质合金的硬度取决于WC相与Co粘结相的含量，Co含量越少，硬质合金硬度升高；而界面相和微裂纹的形成降低硬质合金的硬度，因为界面相的硬度低于α-WC相。较低束流密度80A/cm2，HIPIB辐照热冲击作用使硬质合金表面缺陷减少、甚至消失，表面致密化，导致硬质合金表面硬度增加；束流密度增加至115A/cm2时，WC-Co硬质合金表面发生重熔与Co粘结相的优先烧蚀，而界面相的形成使辐照硬质合金表面硬度略有降低；进一步增加束流密度至180A/cm2，WC-Co硬质合金表面发生显著重熔与Co粘结相的优先烧蚀，但同时也伴随更为显著的α-WC相向立方界面相转变，导致辐照硬质合金表面硬度较115A/cm2辐照的下降，增加辐照次数，尽管硬质合金表面微区光滑致密化、Co粘结相含量减少，但表层界面相显著增加，且表面有网状裂纹形成，导致硬质合金表面硬度降低。

Claims (4)

1.一种强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的制备原料包括：化学成分为90wt%WC，10wt%Co，WC的平均晶粒尺寸2μm的WC-Co硬质合金。
2.根据权利要求1所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，其特征是强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的制备步骤为：将原料按实验设计方案称重，然后用金刚石试纸进行打磨，打磨后倒入行星球磨机中进行湿磨，球料比为6：1，球磨时间为24h，球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，将制好的压坯放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1460℃，保温时间为90min。
3.根据权利要求1所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，其特征是强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金的检测步骤为：物相分析采用SHI6000型X射线衍射仪，表面形貌采用JSM5600型扫描电子显微镜，表面轮廓及粗糙度采用Surf4000型表面轮廓仪，针尖曲率半径为2μm，表面元素分布采用SHI1600型电子探针，显微硬度采用HXD1000型维氏显微硬度计。
4.根据权利要求1所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，其特征是所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，硬质合金内部的物相组成对硬质合金的性能有着重要影响，强流脉冲离子束辐照对硬质合金性能的提升主要表现在促进硬质合金内部的物相转变，使硬质合金内部的不稳定相向稳定相转变，强流脉冲离子束辐照的强度越大，物相转变进行的更容易，发生转变的不稳定相越多，所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，强流脉冲离子束辐照的强度对硬质合金性能的提升有着重要影响，强流脉冲离子束辐照的强度需要控制在一个精确的范围内，强流脉冲离子束辐照的强度过高会导致硬质合金表面产生烧蚀，强流脉冲离子束辐照的强度过低则导致物相转变不完全，合适的强流脉冲离子束辐照强度为10次/分，所述的强流脉冲离子束辐照WC-Co硬质合金，强流脉冲离子束辐照对硬质合金强度提升表现在使硬质合金具有更均匀、更稳定的内部结构，使得硬质合金的致密化程度提高，经过强流脉冲离子束辐照的硬质合金，其力学性能得到一定程度的提升。
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