发布时间：2022-05-12所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：综述了碳含量、WC晶粒度、微孔结构、烧结温度、热处理工艺等对 WC粗晶硬质合金摩擦性能的影响。通过分析发现，随着碳含量逐渐升高，WC粗晶硬质合金的摩擦性能先升高后降低;当 WC粗晶硬质合金存在微孔结构时，能够获得优异的摩擦性能;适当提高烧结温度，可以增加
摘 要：综述了碳含量、WC晶粒度、微孔结构、烧结温度、热处理工艺等对 WC粗晶硬质合金摩擦性能的影响。通过分析发现，随着碳含量逐渐升高，WC粗晶硬质合金的摩擦性能先升高后降低;当 WC粗晶硬质合金存在微孔结构时，能够获得优异的摩擦性能;适当提高烧结温度，可以增加 Co的自由程，有助于粗晶 WC 骨架的稳定性;Co含量越低，粗晶 WC晶粒度越大，WC粗晶硬质合金的摩擦性能越好。分析还发现，热处理工艺也可以有效提高 WC粗晶硬质合金的摩擦性能。
关键词：粗晶硬质合金;WC;摩擦性能;碳含量;粘结剂;微孔结构
WC粗晶硬质合金是指 WC 的晶粒度在3.5～7.9μm 的硬质合金，由于粗晶硬质合金在设计方面具有微观非均匀特性，在矿物开采和金属切削等领域具有提高性能的潜力[1]，又因为粗晶硬质合金具有良好的抗弯抗冲击性、耐磨性、硬度高等特点，特别适合应用于高线轧辊、矿山工具、石油钻探、路面冷铣等方面[2]。目前，粗晶硬质合金的发展方向以低 Co粗晶和高 Co粗晶合金为主，因为低 Co粗晶硬质合金的 WC 晶粒粗大，比表面积小，使得合金中 Co层增厚，可以进一步提高合金的抗弯强度和抗冲击韧性以及合金的耐磨性[3]。虽然对粗晶硬质合金的研究取得了一些成果，但是为了更好地满足机械各领域对 WC粗晶类硬质合金的需求，还需对WC粗晶硬质合金进行更深入的研究。通过大量的数据实验分析，发现碳含量、WC晶粒度、粘结相、微孔结构、烧结温度和热处理工艺等是影响合金耐摩擦性能的主要因素。因此，本文从这些因素出发，分析其对 WC粗晶硬质合摩擦性能的影响。
1 碳含量的影响
碳含量会显著影响粗晶硬质合金的金相组织。当碳含量在一定范围内，随着碳含量的增加，硬质合金的硬度与耐磨性降低，韧性与抗弯强度提高;但当碳含量增加到出现渗碳以后，抗弯强度及冲击韧性会显著降低[4-5]。周新华等[6]的实验表明，当碳含量在6.12%～6.16%之间时，粗晶 WC 硬质合金性能最好;当碳含量过高时，石墨逐渐在晶粒中析出，在渗碳区附近的 WC晶粒异常长大，石墨又对 WC长大起到了一定得阻碍作用，从而降低了平均晶粒度。陈明等[7]的实验表明，脱碳和渗碳对抗弯强度影响极大，这是因为碳含量增加至过量的同时，也对 WC粘结相产生偏析影响，在 WC粗晶硬质合金相中产生固溶，粘结相中的固溶 W 减少，部分减少的 W 则以 WC的形式继续存在，造成硬质合金的内部密度不均，容易产生一定程度的晶格缺陷，从而导致合金的抗弯强度大大降低。吴迪等[8]以铸造 WC 为原料，分析碳含量对粗晶硬质合金物相的影响，研究发现，当碳含量低于 5.5% 时，硬 质 合 金 主 要 物 相 为WC、Co和 Co3W3C，Co3W3C 的存在阻碍了 Co填充 WC 间隙的进程，必然导致合金致密度较低，且Co3W3C的存在降低了 WC 的硬度和摩擦性;而碳含量为6.1%时，过量炭黑以游离碳形式存在，明显降低了 WC和 Co的结合力，降低 WC的物理性能。
综上所述，碳含量的增加可使得反应更加充分，且可以降低烧结的温度，使得粘结剂液相更充分地对间隙进行填充，并使得 WC 晶粒粗化，提高合金的摩擦性能。但是当碳含量过高时，又会导致 WC晶粒出现异常长大现象且晶体缺陷增加，所以当碳含量过高，合金中出现渗碳后，又会降低其韧性和耐摩擦性。由此，当碳含量在一个能使 Co充分填充间隙而又不会导致炭黑出现的范围中时，可以获得具有优秀摩擦性能的 WC合金。
2 WC晶粒度的影响
WC晶粒的大小和数量是由晶核数和晶粒长大速率来决定的，并且 WC晶粒的长大是由非自发核来实现的[9-11]。CSANDI等[12]研究发现，WC 合金在外力作用下，大多数 WC/WC 晶界边缘呈现脆性破坏，说明 WC粗晶硬质合金中晶界的耐磨性能普遍低于 WC晶粒内部。因此，当 WC 粗晶硬质合金中 WC晶粒度增加时，可以有效改善粗晶硬质合金的耐磨性。
WC晶粒度大小对合金摩擦性能的影响还与粘结剂的含量有关。在低 Co基粗晶硬质合金中，随着 WC晶粒度的增加，合金的显微组织中粗大晶粒长大越明显，且随着 WC 晶粒度增加，合金的耐磨性能也呈现小范围提高的趋势[13-14]。在 Co含量保持不变的稳定状态下，WC 晶粒度的降低可使硬质合金的硬度、抗弯强度、耐磨粒磨损性能、机械疲劳寿命以及矫顽磁力等性能得到提高，而抗扩散磨损性能、断裂韧性、高温塑性蠕变性能、导热率等性能会有所下降[15]。若 WC晶粒度过大和 Co含量饱和同时发生，会使合金耐磨性能由起初的升高到过饱和状态下的快速降低。这是因为晶粒较大的粘结相与合金硬质相交界处 Co层的电极电位过大，易与过饱和 WC晶粒发生电偶反应，合金硬质相 WC作为负极而受到电荷保护，在晶粒较小的区域的结合相同时发 生 电 偶 反 应，合 金 表 面 形 成 新 的 化 合 物WO3和 Co3O4，不断发生新的化学腐蚀导致合金磨损表面受到的应力基本聚集在 WC颗粒表面上[16]，失去粘结相作为支撑的 WC晶粒强度降低，合金结构脆性增加，合金耐磨性能大大下降。
3 粘结相的影响
粘结相是硬质合金中将难熔金属硬质化合物(硬质相)紧密粘合在一起的软金属相。作为粗晶硬质合金的重要组成部分，粘结相的含量对碳含量影响很大，碳含量过高会导致石墨游离化，而碳含量过低会导致η 相变脆[17]。根据粘结相形成的满足条件可以得知，硬质合金粘结相可溶解部分难熔金属硬质化合物，且不与难熔金属硬质化合物发生其他化学反应，可减少硬质相对硬质合金的影响;硬质合金粘结相与难熔金属硬质化合物具有湿润性[10]，可牢固地抓住 WC晶粒的骨架，保证 WC粗晶硬质合金的耐磨性。KLAASEN 等[18]发现，在粗晶硬质合金中，WC相的含量越高，合金的耐磨性越好。曹瑞军等[19]研究发现，WC硬质合金中粘结相 Co越少，合金 的 韧 性 和 抗 热 裂 纹 能 力 越 好，耐 磨 性 越 高。ENGQVIST 等[20]研究了粗晶硬质合金的耐冲击磨料磨损机理，发现粗晶硬质合金的耐磨性主要由表面的 WC颗粒骨架承担，当 WC 颗粒破裂脱落后，耐磨性急速下降，而粘结相 Co的作用是牢牢稳住粗 WC晶粒形成的颗粒，故 Co的含量不应太高。
本文来源于：《稀有金属与硬质合金》(季刊)系国内外公开发行刊物，创刊于1973年，系国内集稀有金属与硬质合金两大类别的唯一技术期刊。主要报道稀有金属(钨、钼、钽、铌、稀士、钛、锂、铍、铷、铯、锆、铪、钒、镓、铟、铊、锗、硒、铼等)和硬质合金的生产、加工、科研、设计及应用成果;报道国内外稀有金属与硬质合金的新工艺、新技术、新设备和新材料等有关方面的文章及信息。
当 Co含量过高时，由于 Co本身的强度和硬度远低于 WC晶粒，所以会降低合金的性能，但是 Co含量不够，平均自由程短，又达不到牢固把持 WC晶粒骨架的作用，且饱和状态下的 Co含量有利于合金形成二元或多元合金机构，因此除了控制 Co的含量，还可以采用添加抑制剂来提高 Co的平均自由程，或者在烧结过程中适当增加烧结温度。
4 微孔结构的影响
硬质合金不同的微孔结构特性对其耐摩擦性能的影响是一个重要的研究方向，因为不同相组成和碳化物尺寸的组合会导致其不同的微观组织，从而可能会导致微孔结构产生差异，进而影响材料的硬度、断裂韧性和耐磨强度等力学性能[21]。在现代摩擦学的观点中，表面并非越光滑越耐磨，而是当表面具有一定程度的非光滑形态，其摩擦性能越好[22-23]。随着烧结温度的升高，微孔结构和相分布等微观特性也会随之发生相应变化，固相和粘结相转变成液相的过程中，多余的热能无法消耗，因微孔结构具有一定的储能特性，形成细小的过热能气泡存在于粘结相周围，导致硬质合金的孔隙度急剧增加，而孔隙度过大会改变其微孔结构的稳定性，这一改变导致粘结相与固相之间的支撑间距变大，从而使得硬质合金容易发生脆性断裂。粗晶硬质合金中的微孔结构具有一定的储存介质的能力，可以使得合金表面存在一层液体介质，从而提高粗晶硬质合金的耐磨性能。孙明君[24]的研究表明，微孔硬质合金的摩擦性能值得期待，粘附在硬质合金颗粒表面的金属熔体粉料在高温作用下向硬质合金颗粒内部渗透，而不能向颗粒与颗粒之间的夹角缝隙收缩的剩余微量金属熔体则在合金化后粘附于颗粒表面，这样由于粘附在颗粒表面上的粉料向各自的颗粒表面收缩，也就导致孔隙产生，由此形成硬质合金多孔材料。
黄丽容等[25]通过实验证明，微孔结构的粗晶硬质合金相较于致密硬质合金拥有较为稳定的摩擦系数，且摩擦系数普遍更小。致密硬质合金较容易摩擦形成沟痕，磨屑堆积在沟痕旁，而微孔结构可以有效地储存因摩擦而产生的磨屑，从而使得摩擦系数降低，获 得 更 好 的 摩 擦 性 能。PRADEEP 等[26]发现，控制球磨时间，可以改变 WC 粗晶硬质合金的微孔结构，进而改善合金的耐磨性能。
5 烧结温度的影响
目前，粗晶硬质合金的制备过程中普遍采用真空或低压烧结工艺，低压烧结压力在1～10 MPa之间，以惰性气体作为环境气氛。在烧结过程中，对WC粗晶硬质合金影响最大的因素是烧结温度。李金普等[27]在对 YG15进行低压(6MPa)烧结时以温度作为变量，结果显示，在较高温度下晶粒分布均匀，但同时也出现了晶粒异常长大的现象，这使得晶体的硬度和韧性等力学性能下降。
烧结过程中，粘结剂会转变为液相，固相中较小的 WC晶粒由于具有较高的能量，会在液相中不断地发生溶解-析出，在比表面较小的 WC晶粒表面析出会导致晶粒长大，由于温度较高时能量更高，该过程更加容易发生。LIU 等[28]认为，在烧结温度较高的情况下，硬质合金中碳化物晶粒高度密集会导致位错的运动和产生，呈现出较大的应力变化，位错的运动和增殖吸收了变形过程中的 WC相和 Co相中多余储存的能量和热能损耗的能量，从而导致硬质合金表现出较大的应变，使得塑性和韧性降低。郭圣达等[29]的研究表明，烧结温度越高，所得粗晶硬质合金的缺陷越少，粘结相分布越均匀，强度越高。陈洪霞等[30]通过对 WC-12%Co进行烧结实验发现，在保证硬质合金质量与制备经济性的前提下，应尽量选择在较高烧结温度下进行真空烧结。
莫盛秋等[31]在研究真空烧结低 Co碳化钨粗晶硬质合金及其性能时，侧重考察了真空烧结温度和保温时间对低 Co碳 化 钨 粗 晶 硬 质 合 金 性 能 的 影响。随着烧结温度增加及保温时间延长，硬质合金硬度和强度增加，但当烧结温度超过1370 ℃时，硬度和强度下降。这是因为过高的温度和较长的保温时间使得 Co相分布不均匀，WC 晶粒大小也不均匀，而且容易产生气孔。由此可见，适当的烧结温度和保温时间对 WC粗晶硬质合金的性能影响很大。
6 热处理工艺的影响
在对 WC粗晶硬质合金粉进行烧结处理后，对其还可进行进一步热处理加工。顾金宝等[32]研究发现，在淬回火状态下的金相组织分布均匀，孔隙度小，Co相的马氏体转变不明显。因此，淬回火状态下的合金比烧结状态下以及深冷状态下的硬度、抗弯强度以及耐磨性等更好。莫敏等[33]在比较淬回火态和深冷态的研究中发现，二者的 Co相平均自由程均得到了提升，但 Co相中存在一定量的固溶异类原子无法进行转变，极大抑制了 WC 在 Co相内的溶解及长大，减少了微观缺陷，从而更易获得高强度、高致 密 性 的 硬 质 合 金。王 忆 民 等[34]研 究 发现，经过深冷处理后，合金的 Co相分布结构会发生改变，合金中的面心立方 Co因致密度增加而大量存在，使得粘结相的韧性得到了提升。WC在 Co中的溶解度降低导致了易溶于粘结相中的 WC 原子增多，固溶效果得到增强，WC 的析出物抑制了 Co相中马氏体的转变，从而导致面心立方 Co无法转变成密排六方 Co，晶粒结构的不同使得 Co相的分布结构发生了改变。所以适当的淬火和深冷处理可以提高 WC粗晶硬质合金的摩擦性能。
7 结 语
WC 粗晶硬质合金耐摩擦性受多种因素影响，且各因素之间相互关联相互影响。WC粗晶硬质合金制备过程中，在满足粘结相基本功能的前提下，粘结相的含量越低，粗 WC晶粒越多，WC粗晶硬质合金的摩擦性能越好。在烧结过程中，可添加适当的抑制剂，提升烧结温度，控制好保温时间，能有效的提高 WC粗晶硬质合金的摩擦性能。在热处理工艺中，采用淬火回火和深冷态可改变 Co相的结构，提升 Co相的平均自由程，有效提高 Co牢固抓紧粗晶 WC晶粒的骨架作用，提升 WC粗晶硬质合金的摩擦性能。同时，制备多孔的 WC粗晶硬质合金也将是提升其摩擦性能的研究热点。
为更好地将粗晶硬质合金应用在凿岩工具、采掘工具、钻探工具等领域，后续需要对粗晶硬质合金中烧结工艺、热处理工艺对硬质合金性能的影响进行深入研究;同时还需要进一步研究合金元素、WC基以及粘结相不同含量、不同晶粒度对粗晶硬质合金性能影响的机理。——论文作者：秦 琴，王 楠，颜子镒，田金欣，唐诗佳，杨昊栋，黄泰博
参考文献：
[1]SALMASIArmin，BLOMQVIST Andreas，LARSSONHenrik.Geometryeffectsduringsinteringofgradedce-mentedcarbides：Modellingofmicrostructuralevolutionand mechanicalproperties[J].Resultsin Materials，2019，1：100008.
[2]龙郑易，刘 咏，贺跃辉，等.渗碳时间对梯度硬质合金显微组织和抗弯强度的影响[J].中国有色金属学报，2007，17(2)：326-330.
[3]DENG Xiangxing，CINCA Núria，GARBIEC Dariusz，etal.WearresistanceofnanostructuredCr-based WChardmetalssinteredbysparkplasmasintering[J].Inter-nationalJournalofRefractoryMetalsandHardMateri-als，2019，87(9-10)：105121.
[4]肖仲文，杨慧敏，白佳声.硬质合金气氛烧结过程中碳含量调整[J].硬质合金，2003，20(4)：204-207.
[5]吴悦梅，熊 计，赖人铭.碳含量对 WC-Co硬质合金显微组织的影响及其控制[J].硬 质 合 金，2008，25(3)：179-185.
[6]周新华，王力民，赵声志，等.碳含量对粗晶硬质合金性能的影响[J].硬质合金，2009，26(2)：82-86.
[7]陈 明，吝 楠，贺跃辉.碳含量对 WC-Co-Ni-Fe-Cr硬质合金组织与性能的影响[J].硬质合金，2019，36(6)：434-439.
[8]吴 迪，熊志翔，白英龙，等.铸造碳化钨反应烧结制备粗晶硬质合金[J].粉末冶金材料科学与工程，2011，16(4)：471-477.
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