制備碳化鎢復合材料的一種新方法

  碳化鎢(WC)基硬質合金具有高的硬度、較小的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的耐磨及耐腐蝕性能,被廣泛用于采煤、采礦、石油勘探和金屬切削等領域。不同用途的硬質合金采用不同粒度的WC。硬質合金切削刀具精加工時采用超細、亞細或細顆粒WC;重力切削和重型切削中、采用粗顆粒WC;在礦山工具方面,如巖石硬度高,沖擊負荷大,需采用粗顆粒WC;在耐沖擊工具方面,以采用中、粗顆粒WC原料為主。由于粗WC晶粒對裂紋有明顯的偏轉和分叉作用,故能有效提高硬質合金的韌性,因此,世界范圍內的礦山工具均采用粗晶WC硬質合金。

  制備WC硬質合金的傳統(tǒng)方法主要是粉末冶金技術,但該方法工序復雜,時間長,能耗高。近年來,一些研究集中于利用高能束流的快速制造技術來制備WC增強復合材料,如以WC-17%Co為原料粉末,采用等離子熔注技術在Q235低碳鋼上制備了WC增強表面金屬基復合材料;以鑄造WC粉末作為增強顆粒,采用激光熔注技術制備了WC/Fe復合涂層;采用超音速火焰噴涂工藝制備微米結構WC-10Co4Cr涂層等,但這些只能解決材料的表面增強問題,在塊體WC材料的快速制備方面還進展不大。

  最近,科研工作者以W和C粉末為原料,利用自耗電極直流電弧原位冶金技術制備粗晶WC塊體復合材料,取得了突破性的進展。他們將W粉和C粉按照質量比93:7配成混合粉末。自耗電極基材為1Cr18Ni9Ti不銹鋼管。將混合粉末與適量Na2SiO3.9H2O粘結劑混合均勻,填充于不銹鋼管內并壓實,低溫烘干。

  實驗用直流電弧原位冶金系統(tǒng)主要包括:大功率逆變直流電源、自動升降裝置以及底部為石墨電極的冶金坩堝。自耗電極安裝在自動升降裝置上,接電源負極,石墨接電源正極。實驗時,自耗電極勻速下降與石墨電極接觸引燃電弧,在直流電弧作用下自耗電極不斷熔化,進入坩堝形成熔池,W粉和C粉則在熔池中發(fā)生擴散反應。當自耗電極熔化結束后,使其緩慢降溫凝固,獲得制品。

  對所獲試樣微觀組織的檢測表明,試樣整體致密,沒有明顯的孔洞和裂紋。該結果證明,大電流直流電弧能迅速熔化高熔點金屬,可以實現(xiàn)WC在熔凝過程中的原位結晶長大,從而達到短流程快速制備塊體材料的目的。相分析表明,在直流電弧原位冶金過程中,W和C元素通過溶解進入熔池并發(fā)生擴散反應,在高溫條件下W2C更容易生成,隨著C原子的進一步擴散,W2C向WC轉變。

  一般高能束表面冶金能提供更大的過冷度,但降溫速率過快,WC最大晶粒尺寸通常僅為20μm;而直流電弧原位冶金冷卻速度快,可提供較大的過冷度,當達到臨界值時,WC晶粒得以迅速成核;與表面冶金在基材表面形成的熔池相比,直流電弧原位冶金熔池能保持較長的保溫時間,有利于WC晶粒的進一步長大,因而形成了最大尺寸約為100μm的粗晶WC。