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低钴超粗晶硬质合金的研发

2017-05-18 10:56 来源:中国联合钢铁网
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硬质合金主要沿着两个方向发展,一是低钴粗晶硬质合金;一是高钴细晶硬质合金。其中,低钴粗晶合金的设计结构原理是:WC晶粒粗,比表面积小,使合金中钴层增厚,从而提高合金的冲击韧性;同时,合金中钴含量的减少,WC含量的增加,可提高合金的耐磨性。低钴粗晶合金的综合作用使得合金的韧性好,耐磨性高,因此被广泛用于石油钻齿、截煤机齿、路面冷铣刨机齿、冲压模具、轧辊等领域。
一般定义晶粒度≥5微米的硬质合金称之为超粗晶硬质合金。与其它粒度硬质合金力学性能的对比试验表明,随着合金中WC晶粒度的增大,合金的强度和硬度均降低,而断裂韧性大幅度提高;并且合金的断裂韧性和硬度测试值上下浮动逐渐增大,而强度浮动减小。超粗晶硬质合金在断裂时存在大量的穿晶断裂和Co相塑性变形。随着合金中晶粒度的增大,临界裂纹长度逐渐增大。对于超粗晶硬质合金,临界裂纹长度大于7微米,这说明小于7微米的孤立微孔对合金强度影响不大。但另一方面,临界裂纹长度和晶粒度几乎相等,所以任何一颗破裂或有缺陷的WC晶粒,都可能成为断裂源。因此,要提高超粗晶硬质合金的强度,必须使用结晶完整的碳化钨粉做原料,以减少合金中WC晶粒内部的结构缺陷。另外,对超粗晶硬质合金裂纹处的显微组织观察表明,细小裂纹大部分存在于WC晶界处,少量存在于WC晶粒内部;观察不到Co相内存在裂纹。裂纹呈现分叉、偏转和不连续状,增加了裂纹扩展的路径;圆角形WC晶粒减弱了裂纹尖端的应力集中,有利于材料断裂韧性的提高。研究指出,Co相平均自由程增加,裂纹尖端的应力集中减小,有利于合金韧性的提高。在超粗晶硬质合金中,Co相平均自由程可达2.9微米,这是此类硬质合金具有良好断裂韧性的原因之一。
但是,超粗晶硬质合金的制备有一定的困难。烧结过程是WC晶粒粗化的过程,是获得超粗晶粒合金的关键步骤之一。合金的粗化主要依赖细颗粒粉末溶解、粗颗粒粉末长大。原始WC粉末的状态是重要的影响因素。目前主要采用高温还原碳化的工艺生产特粗晶粒碳化钨粉末。主要工艺为:氧化钨掺杂碱金属后,在低于1000℃的温度下还原制备出超粗WC粉,而后在1980℃下高温碳化制备超粗WC粉。我国中南大学优化了工艺,保证晶粒发育完整,促进晶粒长大,增大碳化钨化合碳含量,保证碳化完全;同时缩短碳化时间,降低碳化温度,取得了良好效果。另一方面,适当的研磨混合工艺是获得连续的高强度的WC骨架结构的关键。目前的湿磨工艺为用高球料比对碳化钨粉预磨,然后添加钴粉,继续球磨至碳化钨粉与钴粉混合均匀。中南大学也优化了混合料研磨工艺,结果提高了抗弯强度和断裂韧性,并适于高强度连续作业。(钢研)

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