场激化燃烧合成碳化钨—钴硬质合金.pdfVIP

场激化燃烧合成碳化钨 钴硬质合金 江国健 庄汉锐 李文兰 中国科学院上海硅酸盐研究所 上海 200050 Shon In-jin Chonbuk National University South Korea 摘要:首次研究了场激化下燃烧合成 WC-Co复合材料 研究结果显示 只有当施加的场强超过一个临界 值以后 燃烧合成反应才能蔓延下去 燃烧产物的特性与场强有关 当场强增加时 在 X射线衍射图中 出现WC相的衍射峰移动现象 表明C在W中的扩散随场强的增强而增大 采用燃烧过程中切断电场的方 法 通过对样品从反应物端到产物端形貌和相组成分析 研究了场激化下钨碳燃烧反应机制 WC的合成 是通过C扩散到W中进行的 首先形成WC 然后再形成WCCo熔化仅仅起到加快这种扩散的作用 2 关键词 燃烧合成 碳化钨 场激化 反应机理 0 前言 碳化钨 钴复合材料结合了碳化钨陶瓷的高硬性和金属钴的延展性 因此具有非常优异的耐磨 性和在实际应用中足够的强度和韧性 常常用于岩石钻探工具 木材砍伐齿和暴露在污水中的密封 元件 硬金属陶瓷碳化物通常采用粉末冶金的途径 它一般包括产物粉末的制备 与金属的混合 造粒 成型和烧结等过程 所有这些步骤都需要高温和长时间处理 但高温处理会引起明显的晶粒 粗化 从而不能获得细的晶粒结构和高的机械性能 目前已经发展了一种有前途的 节省能量的先进材料制备技术 自蔓延高温合成 典型的自 蔓延高温合成过程中 在粉末混合物压块的一端启动反应 利用反应自身的反应热来维持反应的进 行 但对于一些体系 例如钨-碳体系 如果在没有活化的情况下 不能启动反应 这主要是由于这 些碳化物的热力学限制 表现在较低的反应焓或者绝热燃烧温度 Tad 例如钨的两种碳化物 WC 和W C 的绝热温度分别是1146K 和946K 它们都大大低于SHS 反应理论上最小的绝热温度值 对 2 于放热量相对较低的反应 目前常用的方法是预热反应物来达到提高绝热温度的目的 但这样常常 在产物中存在由于预热导致的扩散形成的一些外来相 本文首次报道了场激化燃烧合成技术制备碳化钨-钴复合材料的研究结果 本研究的目的在于了 解电场激化在燃烧合成碳化钨 锢复合材料中的作用 通过淬火试验提出了场激化条件下钨碳的反 应机理 1 试验过程 等摩尔的钨和活性碳外加钴粉用作原料来评价电场对燃烧合成反应的影响 99.99%的钨粉 平 均粒度0.6m 韩国钨业公司 与99.99% 的碳粉 平均粒度20m Kojondo 化学公司 和99.8%钴 粉 平均粒度30m Kojondo 化学公司 一起在氧化铝桶中干磨 在钢模两个活塞作用的压力下压 成尺寸为 10mm×10mm×15mm 的长方形素坯 接着放在两个石墨电极之间 籍此将电压加上去 使 电场与燃烧波蔓延方向垂直 钨丝放在样品的前面来启动燃烧反应 一旦反应启动立即切断电源 试验设备的示意图如图 1 所示 场激化燃烧反应实验在不锈钢压力容器中进行 内充一个大气压氩 气 燃烧过程和燃烧波蔓延速率由数码摄相机获得 燃烧波蔓延速率为样品长度除以燃烧波从样品 一端蔓延到另一端所需的时间来确定 燃烧时样品表面的温度由光学测温仪获得 响应时间为10 毫 秒 同时测量了燃烧波传播过程中通过样品的即时电流和相应电压 采用X 射线衍射仪和扫描电镜 进行了燃烧产物的相组成和显微结构分析 2 结果和讨论 一般情况下 对于钨碳体系 单独施加电场 特别高的电场除外 或点火不能产生燃烧波 不 加电场 即使将样品一端暴露在点火源下几分钟也不能引起燃烧波的启动或出现反应明显发生的现 象 碳化钨 钴体系的试验显示 只有当场强超过一定 临界 值否则燃烧波不能维持 反应物中 钴含量对临界值的影响如图 2 所示 随着反应物中钴含量的增加 临界值也增大 当场强高于临界 值 点火引起燃烧波在样品中传播 图中显示了与电场强度有关的三个区域 当电场强度小于 2V cm-1 没有燃烧反应发生 而当场度超过25V cm-1 或更高