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研发硬质合金的集成计算材料工程

张伟彬 , 杜勇 , 彭英彪 , 李娜 , 周鹏 , 程开明 , 张聪 , 张忠健 , 王社权

材料科学与工艺 doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160201

用于研发硬质合金的集成计算材料工程是将微观(10-10～10-8 m)、细观(10-8～ 10-4m)、介观(10-4～10-2 m)和宏观(10-2～10 m)等多尺度计算模拟和关键实验集成到硬质合金设计开发的全过程中,通过成分-工艺-结构-性能的集成化分析,把硬质合金的研发由传统经验式提升到科学设计,从而大大加快硬质合金材料的研发速度,降低研发成本.本文详细阐述了第一性原理计算、CALPHAD方法、相场模拟和有限元模拟等计算模拟方法及各种微结构表征和性能测定的实验方法,论述了其在硬质合金研发中所发挥的具体作用.基于集成计算材料工程,提出了从用户需要、设计制备和工业生产的3个层面研发硬质合金的具体框架.通过应用实例,展示了集成计算材料工程在新型硬质合金研发中的强大功能,为新型硬质合金的设计和开发提供了新模式.

关键词: 硬质合金 , 集成计算材料工程 , 多尺度模拟 , 关键实验 , 应用

晶粒生长抑制剂在WC-Ni硬质合金粘结相中固溶度的实验研究

邱成滨 , 彭英彪 , 何旭文 , 杜勇 , 张忠健 , 徐涛 , 刘向中 , 王辉平 , 王社权

硬质合金 doi:10.3969/j.issn.1003-7292.2016.04.002

为了测定晶粒生长抑制剂在WC-Ni硬质合金粘结相中的饱和固溶度,为硬质合金热力学数据库的建立及其性能的优化提供必要依据,本文基于相图热力学计算,设计并制备了含晶粒生长抑制剂且粘结相含量高的WC-Ni合金试样.通过控制合金碳势使得合金试样中分别出现石墨相和相.利用LOM、BSE对合金试样的微观结构进行了分析.采用WDS-EPMA测定了硬质合金常用晶粒抑制剂Cr3C2、VC、TaC、NbC及其复合物在WC-Ni合金试样粘结相中的饱和固溶度.结果表明,单独添加Cr3C2、VC、TaC时,碳势对Cr、V、Ta、W的固溶度影响较大;单独添加NbC以及复合添加碳化物时,碳势对各元素的固溶度影响并不大.

关键词: 硬质合金 , 粘结相 , 晶粒抑制剂 , 固溶度

硬质合金真空钎焊的研究

张忠健 , 林国标 , 贺军 , 王茂青 , 谢胜利 , 马绍宏 , 王彭涛

硬质合金 doi:10.3969/j.issn.1003-7292.2013.10.004

为了提高盾构隧道掘进机硬质合金刀头和钢基体的连接强度及使用寿命,选用801钎料,对42CrMo钢与WC-8％Co硬质合金进行真空钎焊试验,研究钎焊温度和钎焊压力对钎焊接头性能的影响,并用剪切试验确定最佳工艺参数.通过使用扫描电镜观察显微组织及能谱分析钎料中各元素在母材中的扩散情况,探讨了该钎料与母材的结合性能.结果表明,采用60 kPa的压力在980℃下钎焊,钎料形成的中间层与母材结合较好,无裂纹等缺陷,连接层厚约40～50 mm;剪切强度达到415 MPa,Zn与Mn发生了向硬质合金中的明显扩散,Co偏聚于连接层与钢的界面;压力的适当增加有利于提高界面结合强度,但压力过高导致连接层变薄,不利于缓解接头热应力.

关键词: 盾构刀 , 真空钎焊 , 硬质合金 , 元素扩散

疲劳预裂SENB法测试硬质合金的断裂韧性

胡山 , 张忠健 , 徐涛 , 彭文 , 金鹏 , 陈鼎 , 陈振华

硬质合金 doi:10.3969/j.issn.1003-7292.2013.08.007

断裂韧性测试方法的稳定性及准确性一直为硬质合金工作者所关注.本文利用三点弯曲疲劳预制裂纹的单边切口梁(SENB)法,测定了5种不同WC晶粒尺寸和Co含量的硬质合金试样的断裂韧性KIC,并与线切口的SENB法测定的KIC值进行对比研究.试验结果表明:与不预制裂纹的线切口SENB法相比,疲劳预裂SENB法测定KIC值与合金本征断裂韧性值吻合度高,偏差极小.线切口的SENB法切口根部曲率半径难以达到理论所需的初始裂纹尖端半径,疲劳预裂SENB法预制裂纹过程稳定可控,测试数据准确性高,是评价硬质合金断裂韧性较为理想及有效的方法.此外,合金的断裂韧性KIC值随Co含量和WC晶粒度的增加而提高.

关键词: 硬质合金 , 预制疲劳裂纹 , 断裂韧性 , 单边切口梁

Ni3Al添加量对WC-Co硬质合金中WC晶粒形状的影响

龙坚战 , 张忠健 , 彭文 , 陆必志 , 周华堂 , 罗海辉 , 董亮

硬质合金 doi:10.3969/j.issn.1003-7292.2013.12.003

采用粉末冶金制备技术,以粗WC粉末、Co粉和WC+Ni3Al预合金粉末为原料制备出WC-40vol％(Co-Ni3Al)硬质合金.利用扫描电镜和透射电镜研究了不同Ni3Al含量对WC-40vol％(Co-Ni3Al)硬质合金中WC晶粒形状的影响规律.结果表明:W在Co粘结相中的固溶度接近25.4 wt％,而W在Ni3Al粘结相中的固溶度接近9.5 wt％,随着Ni3Al含量的增加,粘结相对W的固溶度减小,合金中的WC晶粒圆钝和细小;WC晶粒表面上出现明显的台阶.相应的,延长烧结时间,WC-Co-Ni3Al硬质合金具有与WC-Co硬质合金相同的WC生长行为,WC-40vol％(Co-Ni3Al)硬质合金中的WC晶粒表面上的台阶处出现明显的刻面.

关键词: WC形状 , 粉末冶金 , Ni3Al , WC-Co

渗硼对硬质合金物理力学性能及耐磨性的影响

袁红梅 , 张忠健 , 徐涛 , 林国标

硬质合金 doi:10.3969/j.issn.1003-7292.2012.04.001

采用不同的渗硼工艺制备了渗硼厚度不同的YG11硬质合金试样.利用经典方法测定试样的密度、洛氏硬度、抗弯强度、钴磁及矫顽磁力等性能.通过金相显微镜、场发射电子显微镜观察渗硼试样断面的组织结构,采用X射线衍射仪分析渗硼试样断面的相成分.在自制的专用磨损实验机上对比了各组试样的耐磨性能.结果表明:YG11硬质合金通过气-固相渗硼处理后,断面组织可分为渗硼层、过渡层和基体3个部分.渗硼层出现了新的硬质相W2C、CoW2B2、CoW3B3等,WC晶粒细化,钴相因渗硼得到了强化.合金的耐磨参数比未渗硼时提高了14％～30％.经渗硼后硬质合金抗弯强度下降,但韧性略有提高.

关键词: 渗硼 , 硬质合金 , 耐磨性 , WC , 热处理

中国硬质合金产业的技术进步

张忠健 , 汪晓 , 李仁琼 , 胡茂中

硬质合金 doi:10.3969/j.issn.1003-7292.2007.01.009

简要介绍了中国硬质合金产业技术进步的历程,阐述了在超细硬质合金、涂层硬质合金、CAD/CAM技术、喷雾干燥和气压烧结方面取得的长足进步.指出了中国硬质合金产业与国外先进水平的四大差距,提出了组建国家硬质合金工程研究中心,加强宏观调控,快速提升应用技术水平和培育高水平人才等重要对策.

关键词: 硬质合金产业 , 技术进步 , 差距 , 对策

盾构机盘型滚刀刀圈关键材料设计与试制

张忠健 , 谢浩 , 林国标 , 贺军 , 王茂青 , 马绍宏

硬质合金 doi:10.3969/j.issn.1003-7292.2013.12.006

通过对盾构机盘型滚刀工况条件的分析,提出了刀圈材料和硬质合金镶齿的设计思路,并进行了试制.结果表明,以H13为基础,适当提高碳含量,采用电炉熔炼加电渣重熔的方法和后继合理的热处理工艺,制备的钢圈微观组织结构为细小的回火马氏体加小颗粒碳化物,具有良好的耐磨性和抗冲击韧性;以结晶完整的粗晶WC制备的全致密包覆型WC-Co复合粉为原料,可生产出晶粒完整、组织均匀,具有良好冲击韧性和耐磨性的超粗或特粗晶硬质合金,可以满足刀圈合金齿的要求.

关键词: 盾构机 , 盘型滚刀刀圈 , 超粗晶合金

深冷处理对WC-Co硬质合金组织和性能的影响

陈振华 , 姜勇 , 樊恋 , 张忠健 , 徐涛 , 彭文

材料热处理学报

对YG8和YG25两种WC-Co硬质合金不同时间深冷处理后的力学性能和疲劳性能进行了研究,利用X射线衍射方法分析了深冷前后合金的相变和残余应力变化,通过扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌和断裂方式。结果表明：深冷处理能有效提高了WC-Co硬质合金的硬度、强度、耐磨性和疲劳寿命。深冷处理时间是最主要的工艺参数,对YG8合金来说,2 h为深冷处理最佳工艺时间,而YG25则为8 h。其性能变化的主要原因是深冷处理导致硬质合金表面残余应力的变化和Co粘结相发生马氏体相变。

关键词: 硬质合金 , 深冷处理 , 力学性能 , 疲劳 , 断裂

盾构刀具产业现状及发展

张忠健 , 张璐 , 贺军 , 吴湘伟

硬质合金 doi:10.3969/j.issn.1003-7292.2015.05.010

盾构机在城市地铁、铁路公路交通、能源输送、地下通道等重大工程中的应用日益广泛,具有开挖速度快、施工质量高、劳动强度低、经济、环保等优点.作为盾构机关键部件之一的盾构刀具相当于盾构机的牙齿,是实现盾构机掘进功能的主要部件.国内盾构刀具产业经过近二十年的发展,在刀具材料、刀具集成制造等方面获得重要的技术突破,目前基本实现了盾构刀具的国产化,并形成了一定产业化规模,可满足市场上各种进口及国产盾构机的刀具需求.本文从盾构刀具的应用、设计开发、产业发展等方面对我国盾构刀具产业现状进行了评述,并指出未来五年中国基础设施建设仍处于高速发展阶段,盾构市场前景广阔,要做大做强盾构刀具产业,必须加强自主创新、突破核心技术,实现智能化制造.

关键词: 盾构刀具 , 盾构 , 产业发展

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