梯度與新型結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金

前言

硬質(zhì)合金主要利用難熔金屬化合物的高硬度、高耐磨損性能和良好的耐高溫性能及黏結(jié)相良好的塑性和韌性，來(lái)實(shí)現(xiàn)切削、鉆探和抗磨損的作用。這些特性使得硬質(zhì)合金的一些性能之間存在矛盾，例如，硬度和強(qiáng)度、韌性與耐磨損性能，這主要是因?yàn)楹茈y同時(shí)提高硬質(zhì)相和黏結(jié)相的含量。近年來(lái)，一些新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使得硬質(zhì)合金的硬度和韌性均能夠在一定程度上同時(shí)得到改善。這些新型結(jié)構(gòu)包括，梯度結(jié)構(gòu)、納米及超細(xì)晶結(jié)構(gòu)、超粗晶結(jié)構(gòu)以及其他特殊晶粒分布結(jié)構(gòu)等。梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金是指其硬質(zhì)相和黏結(jié)相在一定空間尺度上的分布呈梯度變化，從而使其性能的調(diào)節(jié)具有更大的自由度。按照性能要求不同，功能梯度硬質(zhì)合金的種類(lèi)也較多。20世紀(jì)80年代，瑞典山特維克(Sandvik)鑿巖工具公司開(kāi)發(fā)出了一種功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，成功推出牌號(hào)為DP55、DP60和DP65 3個(gè)牌號(hào)的雙相(DP)硬質(zhì)合金。這類(lèi)合金一般呈現(xiàn)出類(lèi)似于三明治的結(jié)構(gòu)，在合金的最外層和中間層均為WC+Co兩相組織，內(nèi)層為WC+Co+η三相顯微組織。材料最外層Co相含量低于合金的名義鈷含量，具有很高的硬度和耐磨損性能; 中間層Co相含量高于合金的名義鈷含量，具有很好的韌性和塑性。DP合金耐磨損性能和韌性明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金。該技術(shù)被譽(yù)為“硬質(zhì)合金歷史自1950年以來(lái)最重要的革新”。20世紀(jì)90年代末，Sandvik又將該技術(shù)應(yīng)用于金屬切削用鉆頭，大幅提高了該類(lèi)產(chǎn)品的壽命和切削效率。另一類(lèi)非常重要的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金是用于涂層刀片基體。硬質(zhì)合金刀片的微觀組織通常包括WC，Co和β相。β相是一種含鈦的脆性相，可提高材料的硬度，但卻降低了韌性。涂層基體和涂層之間存在一定的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的不相容性。通過(guò)控制燒結(jié)和熱處理氣氛，能夠在硬質(zhì)合金刀片表面形成約50 μm的無(wú)β相層，具有較好的韌性，并與涂層的結(jié)合強(qiáng)度高，大幅提高涂層刀片的抗崩韌性和切削壽命。由于該工藝比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在大部分硬質(zhì)合金涂層刀片基體都采用了這種梯度結(jié)構(gòu)。我國(guó)在梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金方面的研究在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)有報(bào)道，但是還缺少較系統(tǒng)深入的闡述。著者自2002年以來(lái)開(kāi)展梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金研究，開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材料。本書(shū)主要是針對(duì)球齒、頂錘以及涂層刀片基體中各種梯度結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理、工藝參數(shù)和性能研究進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，期望能夠?qū)ξ覈?guó)梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的大規(guī)模生產(chǎn)提供借鑒。本書(shū)同時(shí)在硬質(zhì)合金的納米壓痕行為、梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的疲勞斷裂行為等方面也作了首次系統(tǒng)的闡述。由于硬質(zhì)合金和功能梯度結(jié)構(gòu)材料的研究領(lǐng)域較專(zhuān)門(mén)化，為了方便其他領(lǐng)域材料科學(xué)工作者的理解，在第1章和第2章中特別簡(jiǎn)述了功能梯度結(jié)構(gòu)材料和硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，結(jié)合硬質(zhì)合金的最新發(fā)展，在第4章和第5章，對(duì)其他新型結(jié)構(gòu)，如納米及超細(xì)晶結(jié)構(gòu)、超粗晶結(jié)構(gòu)以及其他特殊晶粒分布結(jié)構(gòu)等硬質(zhì)合金的發(fā)展也作了簡(jiǎn)述，期望能夠?qū)Σ牧峡茖W(xué)工作者在開(kāi)發(fā)高硬度、高韌性硬質(zhì)合金材料時(shí)有所啟發(fā)。上述章節(jié)主要是在綜合他人的研究結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行闡述，因此在數(shù)據(jù)引用方面由于時(shí)間和精力所及，如果未能準(zhǔn)確表明來(lái)源之處，還請(qǐng)相關(guān)研究者見(jiàn)諒，也歡迎來(lái)信告之，以便進(jìn)一步修訂。著者特別感謝李亞林同志對(duì)本書(shū)的資料收集、整理，并直接參與了第1章的撰寫(xiě)，也感謝肖代紅博士參與納米及超細(xì)晶結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金一章的撰寫(xiě)，并提供了寶貴的圖片、數(shù)據(jù)。著者同時(shí)感謝賀躍輝教授、李昆副教授、周永貴高工、王海兵、張武裝、龍鄭易、劉峰曉、張林秋、李克林等同志在課題研究和書(shū)稿撰寫(xiě)過(guò)程中提供的無(wú)私奉獻(xiàn)和幫助。著者還感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):50823006)以及湖南有色基金項(xiàng)目的資助。

內(nèi)容概要

　　梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金是指其硬質(zhì)相和黏結(jié)相在一定空間尺度上的分布呈梯度變化，從而使其性能的調(diào)節(jié)具有更大的自由度。該類(lèi)材料能夠很好地解決硬質(zhì)合金硬度和強(qiáng)度、韌性和耐磨損性能之間的矛盾，在球齒、頂錘、模具和涂層刀片方面具有廣泛的應(yīng)用。本書(shū)首先簡(jiǎn)單介紹了梯度結(jié)構(gòu)材料和硬質(zhì)合金的基本知識(shí)，然后闡述了著者在三明治結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)以及涂層基體硬質(zhì)合金方面的研究成果，主要包括制備工藝、梯度結(jié)構(gòu)形成機(jī)理、力學(xué)以及服役性能。根據(jù)硬質(zhì)合金的最新發(fā)展，最后還簡(jiǎn)單介紹了納米及超細(xì)晶結(jié)構(gòu)、超粗晶結(jié)構(gòu)以及其他特殊晶粒分布結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金。本書(shū)適合于粉末冶金、材料科學(xué)領(lǐng)域的工程技術(shù)和教學(xué)科研人員在工作中參考，也適合相應(yīng)專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)大學(xué)生和研究生在學(xué)習(xí)和研究中參考。

作者簡(jiǎn)介

劉詠, 1973年4月出生, 博士, 教授,
博士研究生導(dǎo)師?，F(xiàn)為中南大學(xué)粉末冶金研究院副院長(zhǎng)。2002—2004年在中南大學(xué)-自貢硬質(zhì)合金公司聯(lián)合企業(yè)博士后流動(dòng)站工作,
從事梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的研發(fā); 2005—2006年在美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和田納西大學(xué)訪問(wèn)研究; 2009年獲得德國(guó)“洪堡”獎(jiǎng)學(xué)金,
在亞琛工業(yè)大學(xué)進(jìn)行訪問(wèn)研究; 2004年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”。
長(zhǎng)期從事與粉末冶金相關(guān)的新材料、新技術(shù)和基礎(chǔ)理論研究, 在復(fù)合材料、 金屬間化合物、 金屬陶瓷材料、 粉末冶金技術(shù)等方面做了大量工作,
先后承擔(dān)和參加了10余項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目。目前已在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇, 獲得省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)。

書(shū)籍目錄

第1章　梯度結(jié)構(gòu)功能材料
　1.1　天然梯度結(jié)構(gòu)材料
　　1.1.1　骨骼
　　1.1.2　牙齒
　　1.1.3　皮膚
　　1.1.4　貝殼
　　1.1.5　竹子
　1.2　新型梯度結(jié)構(gòu)材料
　　1.2.1　表面改性
　　1.2.2　層狀結(jié)構(gòu)材料
　　1.2.3　其他梯度結(jié)構(gòu)
　1.3　梯度結(jié)構(gòu)材料制備
　　1.3.1　構(gòu)造法
　　1.3.2　傳輸法
　1.4　梯度結(jié)構(gòu)材料的性能
　　1.4.1　斷裂韌性
　　1.4.2　抗熱震性能
　參考文獻(xiàn)
第2章　宏觀梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金
　2.1　硬質(zhì)合金概論
　　2.1.1　難熔金屬碳化物
　　2.1.2　黏結(jié)相
　　2.1.3　硬質(zhì)合金制備王藝
　　2.1.4　硬質(zhì)合金的性能
　2.2　金屬中碳的擴(kuò)散
　　2.2.1　碳的擴(kuò)散途徑
　　2.2.2　滲碳方法
　　2.2.3　金屬中碳濃度梯度
　　2.2.4　碳勢(shì)的測(cè)量
　2.3　液態(tài)鈷中碳的擴(kuò)散
　　2.3.1　液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散模型
　　2.3.2　碳在液態(tài)鈷中的擴(kuò)散系數(shù)
　2.4　宏觀梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金制備
　　2.4.1　基于滲碳的制備方法
　　2.4.2熔體浸滲法
　　2.4.3　構(gòu)造法
　2.5　宏觀梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能
　　2.5.1　硬度
　　2.5.2　橫向斷裂強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度)和沖擊韌性
　　2.5.3　疲勞性能
　　2.5.4　使用性能
　參考文獻(xiàn)
第3章　涂層結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金
　3.1　硬質(zhì)合金涂層基體
　　3.1.1　涂層基體成分體系
　　3.1.2　涂層基體制備王藝
　3.2　硬質(zhì)合金涂層技術(shù)
　　3.2.1　硬質(zhì)合金涂層的種類(lèi)
　　3.2.2　化學(xué)氣相沉積
　　3.2.3　物理氣相沉積
　　3.2.4　熱噴涂
　　3.2.5　溶膠一凝膠法
　3.3　梯度結(jié)構(gòu)涂層基體
　　3.3.1　燒結(jié)方式對(duì)合金梯度結(jié)構(gòu)和性能的影響
　　3.3.2　C.含量對(duì)合金性能和梯度結(jié)構(gòu)的影響
　　3.3.3　n(C，N)含量對(duì)合金梯度結(jié)構(gòu)與性能的影響
　　3.3.4　梯度基體涂層刀片切削性能的研究
　　3.3.5　硬質(zhì)合金涂層基體的梯度形成機(jī)理
　參考文獻(xiàn)
第4章　納米及超細(xì)結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金
第5章　其他新結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：3.液流法液流法是在冷卻或熔滲的過(guò)程中，通過(guò)控制液體的流動(dòng)形成元素濃度梯度或者相體積濃度梯度，從而制備梯度結(jié)構(gòu)材料。在合金的凝固過(guò)程中，固液界面存在溶質(zhì)原子的遷移，引起液體成分的逐漸變化，使固體長(zhǎng)大時(shí)化學(xué)成分隨時(shí)間變化。通過(guò)控制凝固過(guò)程的工藝參數(shù)，可以制備凝固方向溶質(zhì)原子濃度連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)。另外，先制備梯度多孔預(yù)制塊，再基于液體流動(dòng)的浸滲，制備相體積分?jǐn)?shù)梯度分布的結(jié)構(gòu)也是一種應(yīng)用廣泛的方法。一般的做法是，先制備高熔點(diǎn)相的預(yù)制塊，相通常具有多孔梯度特征，然后將易熔化相以熔融狀態(tài)浸入預(yù)制塊。梯度多孔預(yù)制塊一般通過(guò)分層壓制、噴涂法、溫度梯度條件燒結(jié)、激光表面加熱、紅外加熱、化學(xué)氣相滲透、陽(yáng)極溶解等方法制備。隨后對(duì)梯度多孔預(yù)制塊制備進(jìn)行浸滲，控制溶質(zhì)偏析及流體流動(dòng)結(jié)合的凝固過(guò)程，可以形成梯度結(jié)構(gòu)。

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《梯度與新型結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金》是國(guó)家出版基金項(xiàng)目。

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