WC-Co硬質合金材料研究的現狀與發(fā)展

WC-Co硬質合金材料研究的現狀與發(fā)展一、摘要：WC-Co合金是一種常見的硬質材料,具有較強的耐磨性、強度、韌性等綜合性能,它被大量應用于鉆井、采礦、刀具、耐磨零件等領域,特別是在巖土開挖、能源鉆探應用方面有巨大的應用前景。近年來,世界礦業(yè)、能源開采以及重大基礎設施建設的發(fā)展,世界礦業(yè)、能源開發(fā)和重大基礎設施建設的發(fā)展，促進了硬質合金球齒、切削齒、盾齒、銑齒等礦產品在國內外的廣泛應用和發(fā)展。此外，世界高速鐵路、城市軌道交通、公路等基礎設施建設的蓬勃發(fā)展，促進了硬質合金球齒、切削齒、盾齒、銑齒等礦產品在國內外的廣泛應用和發(fā)展。隨著現代科學技術的發(fā)展，用戶對硬質合金的使用成本和使用效率提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的WC-Co合金同時具有高硬度和高韌性非常困難，不能滿足未來制造業(yè)的需求。高硬度和高韌性的“組合”合金硬質合金工業(yè)的一個熱門話題在科研人員的研究。為了突破傳統(tǒng)WC-Co合金的性能極限，達到“雙倍高度”的效果，從硬質合金材料設計的角度可以考慮以下技術發(fā)展方向:涂層硬質合金、超微結構硬質合金、納米結構硬質合金、粗晶低鈷結構硬質合金、非均勻結構硬質合金和梯度結構硬質合金[1]。WC-Co梯度結構硬質合金的出現，為提高礦物合金的質量，同時為解決WC-Co合金不能兼顧耐磨性和高韌性的問題提供了有效的途徑。WC-Co梯度硬質合金的制備方法還有很多，包括滲碳法、熔體滲透法、層壓法(結構法)和局部涂層顆粒抑制劑燒結法。關鍵詞：WC-Co硬質合金滲碳法二、WC-Co的制備方法國內制備梯度合金的方法主要有滲碳、熔體滲透法、層壓(結構)法、局部涂層晶粒抑制劑燒結法等。在這些方法中，學者們主要研究了WC-Co梯度合金的滲碳方法。1、滲碳法滲碳法是制備梯度硬質合金材料的重要方法。上世紀80年代末，瑞典的一些生產硬質合金的廠家研制出一種粘結相梯度分布的硬質合金鉆頭，并通過巖石鉆進實驗將其與鈷均勻分布的常規(guī)硬質合金鉆頭進行了對比。結果表明，梯度結構合金牙齒的鉆削效率提高了40%，鉆削速度提高了23%。梯度合金的基本原理是在制取含缺碳相即η相(如Co3W3C、Co2W4C和CoσW6C等)的硬質合金基礎上，通過滲碳處理改變合金中的鈷相分布,使其呈梯度變化，形成類似于三明治的結構。該結構賦予合金不同部位以不同性能，從而達到提高合金使用性能的目的。碳化物的研究，最初的技術路線是對山特維克公司缺少的碳化物合金進行滲碳，先將含有η相的碳化物整體再進行滲碳。在滲碳過程中，以甲烷、一氧化碳等含碳氣體為滲碳氣氛，或以石墨填料為滲碳環(huán)境制備梯度碳化物。在1990年代早期,梯度合金的制備原理和技術研究了自貢硬質合金廠,株洲硬質合金廠,粉末冶金研究所、中南大學的技術和jiangzhan有限公司座落早期研究的碳合金滲碳均勻分布的η相位控制是關鍵技術,η是影響合金的質量隱患,和梯度合金的制備控制困難。國內學者和企業(yè)多年來一直在研究滲碳方法,但他們仍然沒有意識到真正的產業(yè)梯度合金的生產,這可能是由于投資和設備條件的限制,和問題的過程穩(wěn)定性、重復性和生產成本并沒有解決。2009年在美國猶他大學的教授就發(fā)明了一種硬化等功能的表面梯度合金及其制備方法的低碳合金滲碳、梯度合金的合金與山特維克公司最大的區(qū)別是合金核心不含η相。這種方法避免了由于η相的存在,相合金性能不穩(wěn)定,同時使梯度合金的制備WC-Co控制減少lot.Room教授發(fā)明的沒有η相梯度合金的制備方法在某種程度上,避免η相階段的風險與低碳合金滲碳,滲碳氣氛和使用分壓控制,提高過程的控制精度和產品穩(wěn)定性,但對工藝設備提出了更高的要求[4]。既缺少碳合金滲碳，又缺少低碳合金滲碳，這兩種方法的優(yōu)缺點都很明顯，缺少的碳芯技術是η相分布控制，工藝穩(wěn)定，可重復性風險較大，低碳方法依賴于工藝設備的精確控制WC-Co梯度合金出現以來,國內研究人員一直在關注缺乏碳合金滲碳和低碳滲碳工作,做了很多工作的關鍵工藝參數,包括η相合金的制備階段和碳化鎢顆粒大小、冷卻速度、滲碳碳勢,滲碳溫度和時間等參數梯度合金的質量進行了研究2、熔體浸滲法在1990年代早期,熔體浸滲方法是一個梯度結構的合金的制備方法,基本思想是降低鈷含量(或其他粘合劑)高鈷含量的硬質合金合金融化,溫度條件下的比金屬的熔點高,低鈷硬質合金中鈷含量和WC骨架的遷移實現了兩相的重新分布。除了1990年代報道烏克蘭科學院研究所的超硬材料硬質合金頂錘、球齒,和其他產品浸漬工藝,并取得了良好的結果。3、分層壓型法分層壓型法是將不同WC晶粒度、不同鈷含量等化學成分的硬質合金粉末分層壓制在一起，得到具有分層梯度變化的合金。分層壓型的特殊技術是原始坯料層各層的密度和燒結致密化率不同，容易引起整個材料的變形。因此，在粉末成形過程中，需要根據每一層粉末的性能，將每一層粉末的性能多次壓型，從而得到具有相似收縮系數的材料?？霞{金屬公司專利描述了一種分層壓制采礦用梯度合金圓柱齒的制備方法。在中國,研究分層壓實的方法主要在于制備過程和機理,但是應用程序分層壓實的方法是更少,這可能是相關的難度分層壓實的過程控制技術和產品應用領域的限制。一些局部涂層晶粒抑制劑是燒結過程合金致密涂層表面的晶粒生長抑制劑,將燒結致密涂層抑制劑和抑制劑是位于致密燒結擴散的過程中,形成的外部WC晶粒尺寸很小,中間梯度分布的WC晶粒粗粒大小、鈷相成分梯度的形成，晶粒抑制劑可以選擇VC,Cr2C3,一種或幾種TaC,NbC。4、局部涂敷晶粒抑制劑燒結法2015年中南大學教授發(fā)明了一個新的制備WC-Co的梯度結構硬質合金的方法,該方法使用WC和液態(tài)Co之間的界面張力,流動相梯度驅動液態(tài)Co相定向遷移,形成Co分布梯度,同時可以控制后續(xù)滲碳燒結體的燒結過程的滲碳氣氛碳勢的一致性,制備的硬質合金層厚度梯度可達1168um，為WC-Co硬質合金的批量制造梯度結構開辟了新的途徑。采用分層壓形法與微波燒結技術相結合制備梯度合金，所得梯度合金亦不含相，在燒結樣品中幾乎沒有發(fā)生Co相的均勻化，也沒有形成裂紋。分層壓型法結合微波燒結技術制備梯度合金，所得也不含η相梯度合金，在燒結樣品中幾乎不發(fā)生Co相平衡，也不形成裂紋。中南大學潘文強采用粉末注射成型技術和梯度技術與新技術的結合,制備殼層耐磨、核心殼層的高韌性硬質合金球齒,殼層粗晶,核心層的細晶粒硬質合金球齒粗粒和細粒的制備技術共燒結致密化行為和微觀結構的變化,同時對粗晶和細晶的鈷相遷移機理進行了研究。高熵合金和梯度技術結合研究,國外一些學者LINDER等使用標準的粉末冶金方法制備高熵合金還討論了硬質合金粘結相的可能性,以及制備高熵合金粘結相梯度硬質合金合的可能性,結果表明,該設計在未來更廣泛的新型粘結相和新粘結相梯度合金潛力。WC-Co梯度合金的研究包括機理、制備工藝及宏觀力學性能、微觀力學性能。三、WC-Co硬質合金的問題及展望WC-Co梯度合金的結構性能改進,是硬質合金行業(yè)的科研工作者有目共睹的,其中滲碳是最有可能實現大規(guī)模、市場化WC-Co梯度合金產品,但這種技術在國內工業(yè)化、市場化的進展緩慢,筆者認為,在大規(guī)模生產過程中精細控制的問題仍然存在,甚至可能涉及匹配工藝設備的發(fā)展。研究有效的工藝控制方法及產品質工業(yè)化評價方法，結合實際合金產品對梯度合金的精細化生產工藝參數、工藝設備(滲碳處理設備或梯度合金燒結滲碳處理-體化設備)以及批量化生產中的質星評估方法進行開發(fā)研究，同時進一步深入研究WC-Co梯度合金的使用性能，應用計算機材料輔助設計、微觀力學性能模擬研究梯度工藝、各梯度層厚及結構與合金性能三者間的影響，有助于WC-Co梯度硬質合金材料的更新換代。四、結論在上述的梯度硬質合金制備方法中,最常用也最具有應用前景的為滲碳法。用滲碳法制備的梯度硬質合金已廣泛應用于采礦工具中，但其低成本的性能是限制其市場前景的主要原因。低碳合金的中心滲碳是通過排除eta制備的梯度合金，因此具有較穩(wěn)定的使用性能，在石油鉆采工具上具有良好的應用前景。參考文獻[1]姚斌,何昱超,孫維方,曹新城,陳彬強,鄭清.石墨烯作為水基半合成切削液添加劑的硬質合金-鋼材料摩擦學特性分析[J].國防科技大學學報,2018,40(04)晶粒度非均勻結構WC-Co硬質合金既有粗晶粒合金的高韌性,又有細晶粒合金的高硬度和高耐磨性,是一種綜合性能優(yōu)良的新型結構硬質合金;鈷相非均勻結構WC-Co硬質合金其鈷含量從里到外呈梯度變化.[2]顧金寶,高建,時凱華,舒軍,曾偉,董凱林,董定乾.礦用WC-Co梯度硬質合金的制備及應用研究現狀[J].稀有金屬與硬質合金,2019,47(04)多年來國內許多科研院校和企業(yè)也曾進行過梯度硬質合金的研究,最初采取的技術路線是山特維克公司的缺碳合金滲碳法,先制取整體含η相的硬質合金再進行滲碳。[3]于福洋.添加石墨的WC-Co硬質合金耐磨涂層制備與研究[D].沈陽工業(yè)大學,2019.[4]許林,張烈華,王晉春.梯度硬質合金齒滲碳工藝對其梯度層厚度的影響[J].長江大學學報(自科版),2017,14(09)國內外制備梯度硬質合金材料主要采用以下2種技術:一是通過對WC+Co+η三相結構的硬質合金滲碳處理制備梯度硬質合金[5]董定乾,向新,顧金寶,時凱華,廖軍,張立.梯度硬質合金制備技術及研究現狀[J].硬質合金,2019,36(05)硬質合金燒結態(tài)淬火后能改善WC晶粒形貌，使晶粒變得圓潤，降低合金應力集中發(fā)生的可能，減少裂紋源。[6]郭圣達,呂健,陳顥,羊建高,鐘明龍,朱二濤.非均勻結構硬質合金的研究現狀及發(fā)展趨勢[J].稀有金屬與硬質合金,2013,41(06):67-69.晶粒度非均勻結構WC-Co硬質合金既有粗晶粒合金的高韌性,又有細晶粒合金的高硬度和高耐磨性,是一種綜合性能優(yōu)良的新型結構硬質合金;鈷相非均勻結構WC-Co硬質合金其鈷含量從里到外呈梯度變化,[7]余立新,陸慶忠,劉華平.滲碳法制備礦用梯度硬質合金[J].鑿巖機械氣動工具,2013(02):5-11.滲碳法制備梯度硬質合金的基本原理是:將合金工件在一定溫度下,置于具有一定碳勢的氣氛中,碳在合金表面吸附,并從合金表面滲入,[8]龍鄭易,劉詠,賀躍輝,王海兵,周永貴.梯度硬質合金滲碳前驅體的研究[J].粉末冶金材料科學與工程,2006(06):359-362.采用貧碳配料的方法制備了η相均勻彌散分布的梯度硬質合金滲碳前驅基體,通過對滲碳基體顯微組織的觀察,研究了貧碳量對滲碳基體顯微組織的影響。[9]蔡俊,豐平,賀躍輝.燒結工藝對梯度結構硬質合金梯度層組織和厚度的影響[J].硬質合金,2007(02):91-95.為提高硬質合金刀具的使用性能,目前較為普遍的方法是在硬質合金刀具表面涂覆TiC、TiN或者Al2O3等涂層[10]田紅平,張烈華,許林.梯度硬質合金齒牙輪鉆頭開發(fā)與應用研究[J].長江大學學報(自科版),2015,12(07):41-44+4-5.硬質合金由于硬度高、抗壓能力強、耐磨性好等優(yōu)異性能,在牙輪鉆頭上得到了廣泛應用。傳統(tǒng)硬質合金的韌性與耐磨性是一對矛盾[11]Kyung-HeePark,AaronBeal,Dave(Dae-Wook)Kim,PatrickKwon,JeffLantrip.Toolwearindrillingofcomposite/titaniumstacksusingcarbideandpolycrystallinediamondtools[J].Wear,2011,271(11)[12]M.I.Dvornik.Increaseofsurfacehardnessands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