基本信息
- 项目名称：
- 等离子束原位冶金制造复合碳化钨硬质合金刀头
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 基于传统的WC硬质合金的粉末冶金生产工艺原材料浪费严重，工艺流程复杂，耗能高。本作品利用等离子原位冶金技术制备复合WC系硬质合金，工艺流程简单，WC类硬质相从高温熔体中原位生成，耗能低，效率高。制得的新型硬质合金刀头硬质相颗粒分布均匀，平均显微硬度可达到1746HV左右；在200N、250N载荷下的耐滑动磨损性能已和YG13C相当，并且生产成本大大降低。
- 详细介绍：
- 等离子束原位冶金技术是以等离子弧为热源，采用同步送粉方式，在基体材料上原位获得均匀致密的复合碳化钨硬质合金，且合金和金属基体呈现良好冶金结合。工作效率高，成本低。等离子原位冶金制备的复合碳化钨（WPC）硬质合金具有高硬度、高红硬性、高耐磨性和一定的强韧性等一系列优点。利用等离子原位冶金技术制备的块体复合WPC材料，符合当前国家大力提倡的发展低碳经济，实现节能减排的大背景，具有十分重要的学术、经济、社会和环保意义。本文利用等离子原位冶金技术成功制备了复合WPC硬质合金，并借助金相显微镜、SEM、能谱仪、XRD、显微硬度计及滑动磨损试验机对其显微组织、物相及性能等进行了分析测试。实验结果显示，复合WPC硬质合金内部组织致密，原位生成的WC、W2C、Fe3W3C等相为合金的主要硬质相，硬质相和Fe基粘结相结合紧密。200N载荷下的耐滑动磨损性能已和YG13C相当，但在300N载荷下的耐磨性稍差。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品旨在寻求一种高效率短流程的制备高硬度高耐磨性合金的生产工艺。利用直流电弧等离子束流产生的高能量加送粉器同步送粉来进行原位冶金，粉末在事先打好盲孔的基体内迅速熔融反应。过程中不会混入其它的杂质，且原料利用率很高，粉末成分配比可随时更换，生产流程短，原位冶金过程中也不会产生污染，制备过程中的运动轨迹可人工控制。本技术的核心装置是等离子束同步送粉器和强度可调的等离子矩的产生及控制。
科学性、先进性及独特之处
- 本技术研究了W、C等元素在高温熔体中的反应特点，发现了在过热液相中原位冶金反应生成粗晶WC的现象，晶粒硬度高、分布均匀，和基体相结合紧密，耐磨性能优良。 开发性的将等离子束技术与原位冶金技术良好的结合起来，性价比很高；省去了普通生产工艺中的铸造、焊接、机加工等环节，生产效率大大提高；本实验开发了生产新型采掘刀具的制备工艺，且工艺简单，质量可控，清洁无污染；
应用价值和现实意义
- 1）提高了资源利用率。利用原料粉末直接原位合成，节约了大量能源和贵重的球磨、真空烧结等装备，成本降低； 2）最佳工艺制得的硬质合金刀头的平均显微硬度可达到1746HV左右，组织内部WC等硬质相颗粒均匀分散在较软的Fe基体相内，材料的耐磨性良好。 3）本技术也适用于其它强碳化物形成元素的合金的制造，尤其是高熔点金属的原位冶金，如TiC、VC、Cr7C3等碳化物的原位生成。
学术论文摘要
- 等离子弧的热量作用下，本试验过程可以认为是液相原位冶金过程，包括了溶解和析出过程。在截齿齿顶孔内形成了高温熔池，独特的物理和化学冶金特征又使得熔池中形成了有利的热力学和动力学条件,使得加入的各种元素能够反应形成各种相。SEM分析得知，WPC（WC、W2C）颗粒形状为规则的矩形和少量三角形，明显区别于加入的原始颗粒形状，这也说明这些颗粒是从熔池中的W和C反应析出的产物。析出的组织形态和大小取决于W、C元素的溶解富集以及熔池的保持时间等因素，所以提高溶解进入熔体的W、C含量和提高熔池的高温保持时间都将有助于WPC颗粒的长大，并能够生长出大于20μm的WPC颗粒。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 本研究数据可靠，情况真实。
参考文献
- [1] 王淑峰, 李惠琪, 迟静, 李敏．等离子原位冶金快速制备复合碳化钨硬质合金的研究[J]．山东科技大学学报, 2010, 29(1)：85-89. [2] 陈献廷. 硬质合金使用手册[M]．北京: 冶金工业出版社, 1986, 184-190. [3] 黄新民. 材料分析与测试方法[M]. 国防工业出版社, 2009. [4] 李惠琪, 李惠东, 李敏等．DC-Plasma-Jet原位冶金技术研究[J]. 材料导报, 2004, 18(10): 194-197. [5] 赵程, 田丰, 侯俊英．等离子弧金属表面熔覆处理的研究[J]. 金属热处理, 2002, 27(2): 3-5. [6] 李勇, 谢淑华. WC粗晶硬质合金的研究进展[J]. 材料研究与应用, 2009, 3, (2): 77-80. [7] 陈熙. 热等离子体传热与流动[M]. 北京: 科学出版社, 2009.
同类课题研究水平概述
- 1. 国外研究现状 目前硬质合金的制备主要采用粉末冶金技术，粉磨后混合均匀的WC-Co粉体采用等静压真空烧结等技术在一定温度下烧结而成，对于WC颗粒控制的研究主要集中在超细晶WC和粗晶WC两个方向。在近几十年的研究中瑞典、美国、日本等国走在前列，瑞典Sandvik公司、美国Nanodyne公司以及德国、奥地利等国在超细晶粒的研究上都很出色，能够生产出直径小于50nm的WC-Co粉末，美国的金属碳化钨公司自上世纪四十年代就已经开始了矿山开采刀具方面的研究，现在已经形成了产业链式的生产。对于粗晶WC的研究，美国的Kennametal公司是世界采矿和硬质刀具的领头羊，其生产的高硬度合金刀头与我国的相比还有很大的优势；瑞典Sandvik公司生产的粗晶WC硬质合金晶粒度能达到10μm以上；德国在1946年之前就开始了镶嵌WC系合金刀头的研究，目前制造出一系列的粗晶钻探头，WC颗粒可达到4μm的级别。 2． 国内研究现状 我国在与硬质合金的研制方面的起步较晚，但也取得了一定的进步，对于此项的研究集中在沈阳金属研究所、北京有色金属研究总院、株洲硬质合金集团、中山大学等科研机构，与国外的差距主要在于：超细晶方面WC颗粒大小、粒度分布的均匀度还有较大差距；粗晶方面，WC粉末颗粒弥散度差，容易产生颗粒集中现象，强度硬度不如国际先进产品。细晶粒WC研究方面，北京有色金属研究总院毛昌辉等通过高能球磨制备出的WC颗粒的大小约为10nm，株洲硬质合金公司等机构都掌握了制造100-200nm级别的WC粉体制造技术。粗晶WC研究方面，李玉玺等人通过在WO3原料粉末中加入促进晶体生长的添加剂，使WC颗粒在还原过程中更容易沉积生长，在低温还原的同时加入微量的Co元素，再高温碳化，制备出了颗粒直径大于35μm的特粗碳化钨粉体。何宪峰等人采用二步碳化法制备出了优质粗晶WC粉体,该粉体具有化合碳高,游离碳低,为单一相,有害杂质含量少,晶粒均匀,晶内亚晶尺寸均匀,不含显微缺陷,较低的位错密度等特性,并解决了WC炸裂问题，已用该粉体作原料为用户批量提供性能优异的硬质合金。随着WC颗粒的增大，其对于裂纹的敏感性也会逐渐降低，对于基体的保护作用也会增强，制备粗晶碳化钨硬质合金对于当今矿山、公路、掘进方面发展有着至关重要的作用。
