超粗晶WC-Co硬质合金制备技术及发展趋势

超粗晶硬质合金因其独特的组织特征,表现出良好的抗冲击性、耐磨性、抗热疲劳性等优势,在凿岩、冲压模具、热轧辊领域具有极大的发展潜力,在硬质合金领域备受关注。本文概述了超粗晶硬质合金的特点及增韧机理,介绍了目前粗颗粒WC原料粉末和超粗晶硬质合金的制备工艺,以及超粗晶硬质合金性能强化方法的探索情况,最后对超粗晶硬质合金的发展趋势提出了几点思考。

超粗晶WC-Co硬质合金的制备方法与机理及性能研究

采用加入球磨活化的细WC粉的方法,成功制备了WC截线晶粒度大于6.5μm的超粗晶硬质合金。对制备机理进行了分析,并对所制备超粗晶硬质合金的金相、热导率、断裂韧性和抗氧化性等进行测定。结果表明:活化细粉在固相烧结阶段全部消失,可以增加烧结活性并抑制超粗晶粒溶解、粒径减小;超粗晶硬质合金WC晶粒度分布窄,晶界平直;热导率和断裂韧性是同样钴含量为0.8μm WC-Co硬质合金的两倍以上,具有优良断裂韧性是由于其可以发生塑性变形;在超粗晶硬质合金中添加镍并不能显著提高抗氧化性。

超粗晶WC-Co硬质合金的研究现状

超粗晶硬质合金是一类性能优异的新型合金,广泛用于采矿、凿岩、轧辊等领域,应用前景广阔。化学包覆法和纳米粉末溶解法是超粗晶WC-Co硬质合金制备的主要方法,介绍了超粗硬质合金原料WC颗粒平均粒度选择的动力学理论,碳含量对超粗合金中WC晶粒生长粗化的影响以及通过引入其它元素强化粘结相以提高合金寿命的探索结果。此外,分析了以合金硬度为常数时,晶粒尺寸与合金性能的关系,指出在保持合金硬度不变时,通过增大WC晶粒尺寸来提高合金的耐磨性和韧性是可行的。最后,展望了超粗晶合金的发展方向。

球磨时间、料浆料液比对WC-8%Co超粗晶硬质合金钴池与性能的影响

超粗晶硬质合金生产过程中容易产生钴池。采用喷雾干燥制粒工艺制备了WC-8%Co超粗晶硬质合金,研究球磨时间、料浆料液比对钴池及合金性能的影响。结果表明:延长球磨时间、增大料浆料液比均有利于消除超粗硬质合金中的钴池;在球磨时间12 h、料浆料液比8.95 kg/L条件下,制备的平均晶粒度为7.36μm的超粗硬质合金中未出现钴池,合金的磁力为3.8 kA/m,抗弯强度为1820 N/mm^(2);在球磨时间16 h、料浆料液比5.20 kg/L条件下,制备的平均晶粒度为5.37μm的超粗硬质合金中未见钴池,钴相分散更均匀,合金的磁力4.2 kA/m,抗弯强度为2230 N/mm^(2)。

含添加剂Cr_(3)C_(2)/VC超粗晶WC-Co硬质合金的疲劳行为及失效机理

利用三点弯曲疲劳实验,研究了Cr_(3)C_(2)和VC添加对超粗晶硬质合金疲劳性能的影响规律和机理。超粗晶硬质合金的疲劳寿命随着循环载荷的增加呈指数型下降,随应力比的增加明显增加;少量Cr_(3)C_(2)的添加可有效提高超粗晶硬质合金的抗弯强度和抗疲劳性能,其原因是少量Cr_(3)C_(2)的添加可实现Cr原子对Co相的固溶强化、抑制fccCo向hcp-Co的相转变、使WC晶粒边角圆化缓解应力集中;而VC的添加则降低了合金的抗弯强度和疲劳断裂时的最大循环次数,是VC的添加易于在界面处形成脆性的层状组织(W,V)C_(x)降低界面结合强度、使WC晶粒边界呈锯齿状易于产生应力集中所致。

烧结保温时间对超粗晶WC-10Co硬质合金微观结构及性能的影响

超粗晶WC-Co硬质合金因耐磨性高和韧性好成为研究的一个热点,而致密度和晶粒的控制是获得优异性能的关键。采用轻度球磨法获得添加超细WC的复合粉末,通过真空烧结制备平均晶粒尺寸为8.3~8.8μm的超粗晶WC-10Co硬质合金,研究烧结保温时间对致密度、WC晶粒及力学性能的影响。结果表明:随着烧结保温时间从30 min增至120 min,致密度先增加后下降,Co在合金表面聚集氧化并使内部孔隙增多,部分WC晶粒聚集形成异常晶粒,这些缺陷结构阻碍了孔隙的消除;超细WC和球磨破碎细WC的先后溶解析出,使WC平均晶粒度先增加后减小,晶粒分布变宽。当烧结保温时间为60 min时,曲面类球状WC部分通过台阶生长机制转变为性能友好型的圆边六棱柱晶粒,抗弯强度和冲击韧性达到最高,分别为1733 MPa和28 kJ·m^(-2)。此外,烧结过程中部分晶粒中原生缺陷难以完全消除,而较长的烧结保温时间下,多种缺陷的增多降低合金性能。

Cr、V、Ta添加剂对超粗晶和特粗晶硬质合金电化学腐蚀行为的影响

以WC–8.4Co、WC–8.4Co–0.4Cr3C2、WC–8.4Co–0.4VC和WC–8.4Co–0.4TaC等4组超粗晶和特粗晶硬质合金为研究对象,采用Tafel曲线和电化学阻抗谱(EIS)研究4组合金在pH=1的H2SO4溶液、pH=7的Na2SO4溶液以及pH=13的NaOH溶液中的电化学腐蚀行为,采用扫描电镜观察合金的腐蚀表面。结果表明,与WC–8.4Co合金相比,在3种不同pH值腐蚀溶液中WC–8.4Co–0.4Cr3C2、WC–8.4Co–0.4VC和WC–8.4Co–0.4TaC合金的耐腐蚀性能均得到改善,Cr3C2改善合金耐腐蚀性能的效果最佳;4组合金在pH=13的NaOH溶液中的耐腐蚀性能均优于其在pH=1的H2SO4溶液中的耐腐蚀性能。合金腐蚀机理为:与溶液接触时,合金中Co粘结相优先腐蚀,产生活性溶解,同时WC发生局域腐蚀。

超粗晶硬质合金的显微结构和力学性能

以超粗碳化钨粉和球形钴粉为原料,通过真空液相烧结工艺制备钴含量分别为7%和10%(质量分数)的超粗晶硬质合金。利用光学显微镜和SEM观察并研究超粗晶硬质合金的显微结构;测定并计算材料力学性能与显微组织参量间的关系。结果表明:超粗晶硬质合金中WC晶粒呈圆角形或等轴形,分布均匀;临界裂纹长度与WC平均晶粒度相近,导致横向抗弯强度降低;圆角形WC晶粒和较大粘结相平均自由程的存在使裂纹产生偏转、分叉和不连续现象,提高了材料的断裂韧性。

粉末粒度对超粗晶硬质合金性能影响的研究

超粗晶结构硬质合金拥有良好的耐磨性、韧性和抗热冲击、抗热疲劳性能,广泛应用于石油钻齿、凿岩钎具、截煤机齿、路面冷铣刨机齿、盾构刀具等地矿工具。文章对比研究了预磨细颗粒WC活化粉和纳米WC活化粉的添加对低压烧结制备的超粗晶硬质合金结构与性能的影响,采用金相显微镜和电子万能试验机等检测方法对其进行组织结构及力学性能的表征,使用扫描电镜对试样条断口进行形貌分析。研究了球磨时间、预磨粉末粒度对超粗晶硬质合金晶粒度、抗弯强度等性能的影响。试验结果表明,相比添加细颗粒WC粉,添加纳米WC粉制备的超粗晶硬质合金的平均晶粒度增加更为明显。随球磨时间增加,合金组织均匀性提高,抗弯强度升高。添加5%(质量分数,下同)预磨纳米WC,球磨18 h制备的超粗晶硬质合金晶粒度达6.8μm,抗弯强度2640 MPa,具有最佳综合力学性能。

超粗晶WC-8Co硬质合金循环压缩过程中组织演变的研究

通过低压烧结制备出WC-8Co和WC-8Co-0.2NbC超粗晶硬质合金,采用球形压头进行循环压缩实验。对超粗晶硬质合金在循环压缩过程中不同应力状态下的微观组织、体视学表征参数进行了表征和计算,分析了添加剂对微观组织、体视学表征参数及裂纹扩展的影响。结果表明:与平面应力状态相比,三向应力下合金中WC晶粒的破碎脱落程度更大;添加剂NbC使合金微观组织变化更为均匀,降低了合金的压缩前后平均晶粒尺寸、Co平均自由程的变化率,并改变了裂纹扩展过程中穿晶裂纹的比例。

WC原料粒度对超粗晶硬质合金组织与性能的影响

通过纳米粉末活化法制备了超粗晶硬质合金,并采用扫描电镜、万能试验机和维氏硬度计等检测方法对其进行微观组织及力学性能的表征,研究了WC原料粒度对超粗晶硬质合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:随着烧结温度的升高,合金中的WC平均晶粒尺寸增大,WC晶粒间邻接度先减小后基本不变,Co相平均自由程先减小后基本不变,抗弯强度先增大后减小,硬度减小;随着WC原料粒度的增大,合金中的WC平均晶粒尺寸增大,WC晶粒间邻接度增大,Co相平均自由程增大,抗弯强度减小,硬度减小;当WC原料粒度为12~15μm、烧结温度为1450℃时,可以制备出平均晶粒尺寸6.80μm、抗弯强度2735MPa的超粗晶硬质合金。

微波烧结粗晶低钴YG硬质合金存在的脱碳问题及其改进

采用常规微波烧结法制备WC-Co硬质合金时,表层区域出现严重的脱碳现象,导致表层和中心区域的组织显著不同,即产生核壳结构,对合金的力学性能造成不利影响。本文作者以WC粉和Co粉为原料粉末,采用微波烧结法制备88%WC-12%Co(YG12)和94%WC-6%Co(YG6)硬质合金,在混料时添加炭黑,避免合金中脱碳相的生成。检验表明:当炭黑添加量(质量分数)接近0.2%时,YG12和YG6的抗弯强度(TRS)分别达到3 109和2 642 MPa;硬度(HRA)分别为88.7和89.8。此时,合金表面和中心区域具有一致的显微组织结构,没有发现脱碳相η(W3Co3C)。但当炭黑添加量超过0.2%时,大量析出的石墨相对合金的力学性能,尤其对硬度产生不利影响,当炭黑添加量为0.4%时,YG12和YG6的抗弯强度分别只有2 465 MPa和2 213 MPa。

Na元素掺杂方式对超粗晶碳化钨及其合金性能的影响

对比研究了在仲钨酸铵(APT)中掺杂Na元素和在黄钨中掺杂Na元素对钨粉、碳化钨粉及其合金性能的影响规律及作用机制。结果表明:由于APT中掺入的Na_2WO_4·2H_2O在煅烧过程中充分转变为Na_2W_2O_7,利于在后续的黄钨还原过程中生成低熔点的钨青铜Na_2O·xWO_3,易于获得粒度较粗的钨颗粒;APT中掺钠获得的钨粉和碳化钨粉末颗粒粒度均大于黄钨中掺钠的粉末颗粒粒度,且前者制备的超粗晶WC-10Co合金性能优于黄钨掺Na的合金。

从硬质合金典型材质发展看中国硬质合金工业的技术进步

中国是世界硬质合金的生产与消耗大国,中国硬质合金工业的技术现状令世人关注。本文从硬质合金典型材质与关键原料制备技术及其微观组织结构与性能特性等方面,展示了近年来中国硬质合金工业的主要技术进展。包括紫钨工艺制备的超细、纳米W粉与WC粉,紫钨工艺与WC-Co纳米复合粉工艺制备的超细晶硬质合金,超粗晶硬质合金以及原位激发自润滑功能WC-Co硬质合金。

超粗晶硬质合金截齿的层状剥落

本文主要探讨采煤机用截齿在使用过程中的失效行为。重点研究焊接于截齿顶部的超粗晶硬质合金齿的"层状剥落"现象,探讨层状剥落出现的原因及其形成机理。分析表明:在采煤过程中,超粗晶硬质合金的热疲劳是导致其失效的主要原因之一,合金的热疲劳及超粗WC晶粒之间粘结相的先期去除是层状剥落形成的主要原因。通过适当增加合金中WC的平均晶粒度、采用特定手段强化合金中的Co相将有效减缓或避免超粗晶合金层状剥落现象。

WO_(3)添加量对超粗硬质合金微观结构及性能影响

以WC、WO_(3)、Co、C为原料,通过原位细晶溶解-析出长大法制备了超粗硬质合金,并分析了不同WO_(3)添加量对合金微观结构及性能影响规律。结果表明:初始粉末中加入的WO_(3)和C在烧结过程中将发生原位一步还原碳化反应转化为高活性的细WC,促进溶解-析出长大现象,使超粗硬质合金WC平均晶粒度随着WO_(3)含量增加而增大。同时,WO_(3)添加能够减少粗WC晶粒微观缺陷和曲边的阶梯状表面,平直化晶粒边界,使其形貌趋于形成完整的三角棱柱体,其(0001)晶面占比高,能够有效提高合金硬度,阻碍裂纹扩展,增加钴相韧性断裂比例。当WO_(3)添加质量分数为4.2%时,制备的超粗硬质合金具有最大的硬度(10633 MPa)和抗弯强度(2692 MPa)。

超粗晶硬质合金的研究现状与发展趋势

基于超粗晶硬质合金具有优异的耐磨性、抗冲击性、抗热疲劳性等特点,在煤炭采掘、矿物开采、隧道掘进、路面养护等领域表现出色,成为近年来硬质合金材料领域重点研究对象。本文对比了超粗晶硬质合金晶粒度的评判标准,综合评述了国内外超粗WC粉末制备技术和超粗晶硬质合金制备技术方面的研究成果,指出超粗晶硬质合金的技术发展趋势为特粗低钴硬质合金的制备技术及粘结相相强化技术。

纳米及亚微米复合粉添加对超粗晶硬质合金晶粒长大的影响及机制

在粗颗粒WC/Co混合粉末中分别添加平均粒径为100、250、400nm的WC-8Co复合粉,经球磨混合压坯后在不同温度进行Ar气保护烧结。针对烧结块体的形貌、晶粒尺寸及其分布进行了研究,并分析了复合粉添加对不同烧结阶段WC晶粒长大的影响机理。研究发现,在WC/Co混合粉中加入纳米和亚微米复合粉末均可制备得到超粗晶硬质合金,且添加纳米复合粉烧结的试样平均晶粒尺寸达到9.3μm。烧结初期,纳米和亚微米复合粉通过增加混合粉末的表面能而有效促进WC晶粒长大;当达到液相烧结温度时,添加纳米复合粉的烧结块体中,由于小晶粒具有更大的溶解驱动力,促使小晶粒溶解并在周围大晶粒表面析出,进一步增大烧结块体的晶粒尺寸;添加亚微米复合粉的块体中,小晶粒WC呈集中分布,使其溶解驱动力较小,且析出主要发生在周围细小晶粒之间,达到溶解析出动态平衡,从而使烧结块体的平均晶粒尺寸增长缓慢。

梯度超粗晶硬质合金的制备与组织性能研究

本文报道了一种制备梯度超粗晶硬质合金的新方法：结合初始WC-Co硬质合金棒料的成分设计和区域熔炼处理工艺,制备了显微组织和性能连续梯度分布的硬质合金棒料。对制备的梯度硬质合金棒料分别表征分析显微组织结构、晶粒尺寸、Co含量变化和硬度分布等,结果表明：沿着硬质合金棒料的轴线方向,WC晶粒尺寸范围为14.95~25.09μm,Co的质量分数变化为3.0%~12.5%,硬度变化范围为8 100~9 800 N/mm2。本文提出的新方法实现了梯度结构和超粗晶组织的有效结合,可赋予硬质合金棒料不同部位以不同特征的力学性能。

掺杂与湿氢工艺制备超粗钨粉及其对合金性能的影响

通过控制送入炉内H_2O与H_2的分压比制备了超粗钨粉,并对所制钨粉及其后续产品物化性能进行了研究。结果表明:与掺杂工艺相比,在还原温度1 040℃、还原时间9 h、P_(H2O)/P_(H2)=0.7的条件下制得Fsss粒度为20μm的超粗钨粉及其制备的碳化钨,具有细颗粒少,均匀性好,晶体发育完整,纯度高等优点。用其制备的超粗WC-10%Co硬质合金晶粒粗大,细晶少,粒度分布窄,组织均匀,无异常晶粒、孔隙等缺陷,后续产品抗冲击性能和抗磨损性能提高。