發布時間：2022-05-12所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：綜述了碳含量、WC晶粒度、微孔結構、燒結溫度、熱處理工藝等對 WC粗晶硬質合金摩擦性能的影響。通過分析發現，隨著碳含量逐漸升高，WC粗晶硬質合金的摩擦性能先升高后降低;當 WC粗晶硬質合金存在微孔結構時，能夠獲得優異的摩擦性能;適當提高燒結溫度，可以增加
摘 要：綜述了碳含量、WC晶粒度、微孔結構、燒結溫度、熱處理工藝等對 WC粗晶硬質合金摩擦性能的影響。通過分析發現，隨著碳含量逐漸升高，WC粗晶硬質合金的摩擦性能先升高后降低;當 WC粗晶硬質合金存在微孔結構時，能夠獲得優異的摩擦性能;適當提高燒結溫度，可以增加 Co的自由程，有助于粗晶 WC 骨架的穩定性;Co含量越低，粗晶 WC晶粒度越大，WC粗晶硬質合金的摩擦性能越好。分析還發現，熱處理工藝也可以有效提高 WC粗晶硬質合金的摩擦性能。
關鍵詞：粗晶硬質合金;WC;摩擦性能;碳含量;粘結劑;微孔結構
WC粗晶硬質合金是指 WC 的晶粒度在3.5～7.9μm 的硬質合金，由于粗晶硬質合金在設計方面具有微觀非均勻特性，在礦物開采和金屬切削等領域具有提高性能的潛力[1]，又因為粗晶硬質合金具有良好的抗彎抗沖擊性、耐磨性、硬度高等特點，特別適合應用于高線軋輥、礦山工具、石油鉆探、路面冷銑等方面[2]。目前，粗晶硬質合金的發展方向以低 Co粗晶和高 Co粗晶合金為主，因為低 Co粗晶硬質合金的 WC 晶粒粗大，比表面積小，使得合金中 Co層增厚，可以進一步提高合金的抗彎強度和抗沖擊韌性以及合金的耐磨性[3]。雖然對粗晶硬質合金的研究取得了一些成果，但是為了更好地滿足機械各領域對 WC粗晶類硬質合金的需求，還需對WC粗晶硬質合金進行更深入的研究。通過大量的數據實驗分析，發現碳含量、WC晶粒度、粘結相、微孔結構、燒結溫度和熱處理工藝等是影響合金耐摩擦性能的主要因素。因此，本文從這些因素出發，分析其對 WC粗晶硬質合摩擦性能的影響。
1 碳含量的影響
碳含量會顯著影響粗晶硬質合金的金相組織。當碳含量在一定范圍內，隨著碳含量的增加，硬質合金的硬度與耐磨性降低，韌性與抗彎強度提高;但當碳含量增加到出現滲碳以后，抗彎強度及沖擊韌性會顯著降低[4-5]。周新華等[6]的實驗表明，當碳含量在6.12%～6.16%之間時，粗晶 WC 硬質合金性能最好;當碳含量過高時，石墨逐漸在晶粒中析出，在滲碳區附近的 WC晶粒異常長大，石墨又對 WC長大起到了一定得阻礙作用，從而降低了平均晶粒度。陳明等[7]的實驗表明，脫碳和滲碳對抗彎強度影響極大，這是因為碳含量增加至過量的同時，也對 WC粘結相產生偏析影響，在 WC粗晶硬質合金相中產生固溶，粘結相中的固溶 W 減少，部分減少的 W 則以 WC的形式繼續存在，造成硬質合金的內部密度不均，容易產生一定程度的晶格缺陷，從而導致合金的抗彎強度大大降低。吳迪等[8]以鑄造 WC 為原料，分析碳含量對粗晶硬質合金物相的影響，研究發現，當碳含量低于 5.5% 時，硬 質 合 金 主 要 物 相 為WC、Co和 Co3W3C，Co3W3C 的存在阻礙了 Co填充 WC 間隙的進程，必然導致合金致密度較低，且Co3W3C的存在降低了 WC 的硬度和摩擦性;而碳含量為6.1%時，過量炭黑以游離碳形式存在，明顯降低了 WC和 Co的結合力，降低 WC的物理性能。
綜上所述，碳含量的增加可使得反應更加充分，且可以降低燒結的溫度，使得粘結劑液相更充分地對間隙進行填充，并使得 WC 晶粒粗化，提高合金的摩擦性能。但是當碳含量過高時，又會導致 WC晶粒出現異常長大現象且晶體缺陷增加，所以當碳含量過高，合金中出現滲碳后，又會降低其韌性和耐摩擦性。由此，當碳含量在一個能使 Co充分填充間隙而又不會導致炭黑出現的范圍中時，可以獲得具有優秀摩擦性能的 WC合金。
2 WC晶粒度的影響
WC晶粒的大小和數量是由晶核數和晶粒長大速率來決定的，并且 WC晶粒的長大是由非自發核來實現的[9-11]。CSANDI等[12]研究發現，WC 合金在外力作用下，大多數 WC/WC 晶界邊緣呈現脆性破壞，說明 WC粗晶硬質合金中晶界的耐磨性能普遍低于 WC晶粒內部。因此，當 WC 粗晶硬質合金中 WC晶粒度增加時，可以有效改善粗晶硬質合金的耐磨性。
WC晶粒度大小對合金摩擦性能的影響還與粘結劑的含量有關。在低 Co基粗晶硬質合金中，隨著 WC晶粒度的增加，合金的顯微組織中粗大晶粒長大越明顯，且隨著 WC 晶粒度增加，合金的耐磨性能也呈現小范圍提高的趨勢[13-14]。在 Co含量保持不變的穩定狀態下，WC 晶粒度的降低可使硬質合金的硬度、抗彎強度、耐磨粒磨損性能、機械疲勞壽命以及矯頑磁力等性能得到提高，而抗擴散磨損性能、斷裂韌性、高溫塑性蠕變性能、導熱率等性能會有所下降[15]。若 WC晶粒度過大和 Co含量飽和同時發生，會使合金耐磨性能由起初的升高到過飽和狀態下的快速降低。這是因為晶粒較大的粘結相與合金硬質相交界處 Co層的電極電位過大，易與過飽和 WC晶粒發生電偶反應，合金硬質相 WC作為負極而受到電荷保護，在晶粒較小的區域的結合相同時發 生 電 偶 反 應，合 金 表 面 形 成 新 的 化 合 物WO3和 Co3O4，不斷發生新的化學腐蝕導致合金磨損表面受到的應力基本聚集在 WC顆粒表面上[16]，失去粘結相作為支撐的 WC晶粒強度降低，合金結構脆性增加，合金耐磨性能大大下降。
3 粘結相的影響
粘結相是硬質合金中將難熔金屬硬質化合物(硬質相)緊密粘合在一起的軟金屬相。作為粗晶硬質合金的重要組成部分，粘結相的含量對碳含量影響很大，碳含量過高會導致石墨游離化，而碳含量過低會導致η 相變脆[17]。根據粘結相形成的滿足條件可以得知，硬質合金粘結相可溶解部分難熔金屬硬質化合物，且不與難熔金屬硬質化合物發生其他化學反應，可減少硬質相對硬質合金的影響;硬質合金粘結相與難熔金屬硬質化合物具有濕潤性[10]，可牢固地抓住 WC晶粒的骨架，保證 WC粗晶硬質合金的耐磨性。KLAASEN 等[18]發現，在粗晶硬質合金中，WC相的含量越高，合金的耐磨性越好。曹瑞軍等[19]研究發現，WC硬質合金中粘結相 Co越少，合金 的 韌 性 和 抗 熱 裂 紋 能 力 越 好，耐 磨 性 越 高。ENGQVIST 等[20]研究了粗晶硬質合金的耐沖擊磨料磨損機理，發現粗晶硬質合金的耐磨性主要由表面的 WC顆粒骨架承擔，當 WC 顆粒破裂脫落后，耐磨性急速下降，而粘結相 Co的作用是牢牢穩住粗 WC晶粒形成的顆粒，故 Co的含量不應太高。
本文來源于：《稀有金屬與硬質合金》(季刊)系國內外公開發行刊物，創刊于1973年，系國內集稀有金屬與硬質合金兩大類別的唯一技術期刊。主要報道稀有金屬(鎢、鉬、鉭、鈮、稀士、鈦、鋰、鈹、銣、銫、鋯、鉿、釩、鎵、銦、鉈、鍺、硒、錸等)和硬質合金的生產、加工、科研、設計及應用成果;報道國內外稀有金屬與硬質合金的新工藝、新技術、新設備和新材料等有關方面的文章及信息。
當 Co含量過高時，由于 Co本身的強度和硬度遠低于 WC晶粒，所以會降低合金的性能，但是 Co含量不夠，平均自由程短，又達不到牢固把持 WC晶粒骨架的作用，且飽和狀態下的 Co含量有利于合金形成二元或多元合金機構，因此除了控制 Co的含量，還可以采用添加抑制劑來提高 Co的平均自由程，或者在燒結過程中適當增加燒結溫度。
4 微孔結構的影響
硬質合金不同的微孔結構特性對其耐摩擦性能的影響是一個重要的研究方向，因為不同相組成和碳化物尺寸的組合會導致其不同的微觀組織，從而可能會導致微孔結構產生差異，進而影響材料的硬度、斷裂韌性和耐磨強度等力學性能[21]。在現代摩擦學的觀點中，表面并非越光滑越耐磨，而是當表面具有一定程度的非光滑形態，其摩擦性能越好[22-23]。隨著燒結溫度的升高，微孔結構和相分布等微觀特性也會隨之發生相應變化，固相和粘結相轉變成液相的過程中，多余的熱能無法消耗，因微孔結構具有一定的儲能特性，形成細小的過熱能氣泡存在于粘結相周圍，導致硬質合金的孔隙度急劇增加，而孔隙度過大會改變其微孔結構的穩定性，這一改變導致粘結相與固相之間的支撐間距變大，從而使得硬質合金容易發生脆性斷裂。粗晶硬質合金中的微孔結構具有一定的儲存介質的能力，可以使得合金表面存在一層液體介質，從而提高粗晶硬質合金的耐磨性能。孫明君[24]的研究表明，微孔硬質合金的摩擦性能值得期待，粘附在硬質合金顆粒表面的金屬熔體粉料在高溫作用下向硬質合金顆粒內部滲透，而不能向顆粒與顆粒之間的夾角縫隙收縮的剩余微量金屬熔體則在合金化后粘附于顆粒表面，這樣由于粘附在顆粒表面上的粉料向各自的顆粒表面收縮，也就導致孔隙產生，由此形成硬質合金多孔材料。
黃麗容等[25]通過實驗證明，微孔結構的粗晶硬質合金相較于致密硬質合金擁有較為穩定的摩擦系數，且摩擦系數普遍更小。致密硬質合金較容易摩擦形成溝痕，磨屑堆積在溝痕旁，而微孔結構可以有效地儲存因摩擦而產生的磨屑，從而使得摩擦系數降低，獲 得 更 好 的 摩 擦 性 能。PRADEEP 等[26]發現，控制球磨時間，可以改變 WC 粗晶硬質合金的微孔結構，進而改善合金的耐磨性能。
5 燒結溫度的影響
目前，粗晶硬質合金的制備過程中普遍采用真空或低壓燒結工藝，低壓燒結壓力在1～10 MPa之間，以惰性氣體作為環境氣氛。在燒結過程中，對WC粗晶硬質合金影響最大的因素是燒結溫度。李金普等[27]在對 YG15進行低壓(6MPa)燒結時以溫度作為變量，結果顯示，在較高溫度下晶粒分布均勻，但同時也出現了晶粒異常長大的現象，這使得晶體的硬度和韌性等力學性能下降。
燒結過程中，粘結劑會轉變為液相，固相中較小的 WC晶粒由于具有較高的能量，會在液相中不斷地發生溶解-析出，在比表面較小的 WC晶粒表面析出會導致晶粒長大，由于溫度較高時能量更高，該過程更加容易發生。LIU 等[28]認為，在燒結溫度較高的情況下，硬質合金中碳化物晶粒高度密集會導致位錯的運動和產生，呈現出較大的應力變化，位錯的運動和增殖吸收了變形過程中的 WC相和 Co相中多余儲存的能量和熱能損耗的能量，從而導致硬質合金表現出較大的應變，使得塑性和韌性降低。郭圣達等[29]的研究表明，燒結溫度越高，所得粗晶硬質合金的缺陷越少，粘結相分布越均勻，強度越高。陳洪霞等[30]通過對 WC-12%Co進行燒結實驗發現，在保證硬質合金質量與制備經濟性的前提下，應盡量選擇在較高燒結溫度下進行真空燒結。
莫盛秋等[31]在研究真空燒結低 Co碳化鎢粗晶硬質合金及其性能時，側重考察了真空燒結溫度和保溫時間對低 Co碳 化 鎢 粗 晶 硬 質 合 金 性 能 的 影響。隨著燒結溫度增加及保溫時間延長，硬質合金硬度和強度增加，但當燒結溫度超過1370 ℃時，硬度和強度下降。這是因為過高的溫度和較長的保溫時間使得 Co相分布不均勻，WC 晶粒大小也不均勻，而且容易產生氣孔。由此可見，適當的燒結溫度和保溫時間對 WC粗晶硬質合金的性能影響很大。
6 熱處理工藝的影響
在對 WC粗晶硬質合金粉進行燒結處理后，對其還可進行進一步熱處理加工。顧金寶等[32]研究發現，在淬回火狀態下的金相組織分布均勻，孔隙度小，Co相的馬氏體轉變不明顯。因此，淬回火狀態下的合金比燒結狀態下以及深冷狀態下的硬度、抗彎強度以及耐磨性等更好。莫敏等[33]在比較淬回火態和深冷態的研究中發現，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異類原子無法進行轉變，極大抑制了 WC 在 Co相內的溶解及長大，減少了微觀缺陷，從而更易獲得高強度、高致 密 性 的 硬 質 合 金。王 憶 民 等[34]研 究 發現，經過深冷處理后，合金的 Co相分布結構會發生改變，合金中的面心立方 Co因致密度增加而大量存在，使得粘結相的韌性得到了提升。WC在 Co中的溶解度降低導致了易溶于粘結相中的 WC 原子增多，固溶效果得到增強，WC 的析出物抑制了 Co相中馬氏體的轉變，從而導致面心立方 Co無法轉變成密排六方 Co，晶粒結構的不同使得 Co相的分布結構發生了改變。所以適當的淬火和深冷處理可以提高 WC粗晶硬質合金的摩擦性能。
7 結 語
WC 粗晶硬質合金耐摩擦性受多種因素影響，且各因素之間相互關聯相互影響。WC粗晶硬質合金制備過程中，在滿足粘結相基本功能的前提下，粘結相的含量越低，粗 WC晶粒越多，WC粗晶硬質合金的摩擦性能越好。在燒結過程中，可添加適當的抑制劑，提升燒結溫度，控制好保溫時間，能有效的提高 WC粗晶硬質合金的摩擦性能。在熱處理工藝中，采用淬火回火和深冷態可改變 Co相的結構，提升 Co相的平均自由程，有效提高 Co牢固抓緊粗晶 WC晶粒的骨架作用，提升 WC粗晶硬質合金的摩擦性能。同時，制備多孔的 WC粗晶硬質合金也將是提升其摩擦性能的研究熱點。
為更好地將粗晶硬質合金應用在鑿巖工具、采掘工具、鉆探工具等領域，后續需要對粗晶硬質合金中燒結工藝、熱處理工藝對硬質合金性能的影響進行深入研究;同時還需要進一步研究合金元素、WC基以及粘結相不同含量、不同晶粒度對粗晶硬質合金性能影響的機理。——論文作者：秦 琴，王 楠，顏子鎰，田金欣，唐詩佳，楊昊棟，黃泰博
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