WC-Co硬质合金的强韧化

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1、WC-Co硬质合金的强韧化日期：2010-1-13　来源：切削技术网站[大中小]　　摘要：从纳米WC粉末的制备，添加稀土元素，烧结工艺等多方面综述了硬质合金强韧化的主要途径。指出：使用纳米WC粉末，添加适量稀土元素，采用先进的烧结工艺是制备超细或纳米晶高性能硬质合金的有效方法。　　1前言　　硬质合金是由一种或多种高硬度、高模量的间隙化合物，通常是WC和TiC等与过渡族的金属Fe、Co、Ni等或其合金组成的复合材料。该材料的这种复合的结构使其具有高的硬度、耐磨性、红硬性，又具有较高的强韧性。1923年德

2、国的schröter取得了第一个采用粉末冶金方法制造WC硬质合金的发明专利后，硬质合金就开始迅速地在工业领域得到应用。开始，硬质合金主要是用于拉丝模和其它耐磨零件的制造。后来由于其性能不断的提高，又在金属切削领域得到了广泛的应用，一直到现在，硬质合金的80%都用于金属切削刀具的制造。此外，在难加工金属材料，如航空材料中的高温合金的加工、电子工业中印刷电路板(玻璃纤维增强的热固性塑料)的钻孔、木材以及复合地板的加工、点阵打印机的针头、玻璃的精密切割、纺织品切割等都需要强度和硬度更高的超细晶粒或纳米晶粒硬

3、质合金刀具完成。　　硬质合金的合成工艺比较复杂，包括碳化物和粘结相粉末的制备、混合、烧结致密化。粉末的烧结温度通常是高于碳化物和粘结相的共晶温度，经液相烧结后使材料获得低的孔隙度，并获得硬碳化物相均匀镶嵌在粘结相中的复合结构。而该复合材料的性能取决于硬质相和粘结相的成分、微观结构以及烧结工艺等多方面的影响。　　本文将从纳米WC的制备、碳化物和稀土的添加，以及先进烧结工艺等方面对合金性能的影响进行总结介绍。　　2纳米WC的制备　　WC是高熔点、高模量的硬质相，是硬质合金的主体，其含量(质量分数)通常都在

4、80%以上。其晶粒尺寸的大小以及形态对硬质合金性能的影响很大。根据Hall-Petch关系，硬质合金的WC晶粒尺寸越小，粘结相Co的平均自由程越短，合金的硬度和强度都会相应提高。比如晶粒尺寸为3～7µm的WC-6Co的硬度为1400HV，平均晶粒尺寸为0.2µm的WC-6Co的硬度为1780HV。超细晶粒硬质合金(晶粒尺寸小于0.5µm)比普通晶粒(3～5µm)硬质合金的横向断裂强度提高600～800MPa。　　要获得超细或纳米晶WC的硬质合金，原始粉的晶粒和粒度就必须更细，因此制备纳米WC粉末成为高

5、性能硬质合金的一个重要前提。纳米WC的制备方法主要包括以下几种：　　2.1机械合金化法　　机械合金化是采用高能量的机械驱动力在低温下合成材料的一种方法。常用高能球磨法。目前机械合金化合成纳米硬质合金粉末主要包括两个方面的研究：一个是用机械合金化方法由W和C合成纳米WC粉末，另一个是将WC和Co粉末混合后，经高能量球磨使其粉碎细化达到纳米复合。　　马学鸣等将W、C、Co混合球磨100h合成出11.3nm的WC-Co复合粉末。El-Eskandarany与KnnoTJ等及我国的吴希俊和谭国龙等人先后利用化

6、学机械合金化方法制备出纳米尺寸的WC,该方法是用WO3和Mg与C混合粉在球磨罐中N2或N2-Ar保护气氛下球磨，同时发生爆炸还原反应，生成W和MgO，之后，W又与C发生扩散反应，生成砚C和WC。其晶粒度约为4～20nm。　　另外还有直接用高能球磨将WC-Co粉碎细化复合的方法。北京有色金属研究总院的毛晶辉就采用此法将WC-10Co球磨40h得到平均10nm的WC晶粒，WC颗粒被Co分离和覆盖。Goren-Muginstein用同样的方法以55r/min的转速球磨300h,得到平均7nm的WC晶粒尺寸。

7、　　用机械合金化合成纳米粉末简单易行，效率高，制出的粉末晶粒尺寸细小，但往往会因为与罐体、球体摩擦造成粉末污染。　　2.2喷射转换法　　该法又可称为热化学法或流态床法。美国新泽西Kurger大学的McCalldishLE和KearBH等利用偏钨酸铵(CH4)6(H2W12O40)&middit;4H2O和氯化钴CoCl2·nCl2O水溶液或Co(en)3WO4和H2WO4水溶液，经喷雾干燥以及流化床还原、碳化反应生成约为20～50nm晶粒粉末。美国Nanodyne公司已用该法进行工业化生产。　　2.3

8、原位渗碳还原法　　美国的zhuYuntian报道用聚丙烯睛作为原位碳源，无需气相碳化，将钨酸和钴盐溶解在聚丙烯睛溶液中，经低温干燥后移至800～900℃气氛炉内，用90%Ar-10%H2的混合气体直接还原成WC-Co粉体，制得的粉末晶粒度约为50～80nm。　　2.4共沉淀法　　Muhammed的专利采用由钨酸钠或钨酸氨(CH4)6(H2W12O40)和醋酸钴共沉淀方法获得含有[H2Co2W11O40]8-的固态盐作为WC-Co粉末先驱体。然后再通过H2