碳化鎢複合材料製備的一種新方法

碳化鎢（WC）基硬質合金具有高的硬度、較小的熱膨脹係數和優良的耐磨及耐腐蝕效能，被廣泛用於採煤、採礦、石油勘探和金屬切削等領域。不同用途的硬質合金採用不同細微性的WC。硬質合金切削刀具精加工時採用超細、亞細或細顆粒WC；重力切削和重型切削中、採用粗顆粒WC；在礦山工具方面，如岩石硬度高，衝擊負荷大，需採用粗顆粒WC；在耐衝擊工具方面，以採用中、粗顆粒WC原料為主。由於粗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，囙此，世界範圍內的礦山工具均採用粗晶WC硬質合金。

製備WC硬質合金的傳統方法主要是粉末冶金科技，但該方法工序複雜，時間長，能耗高。近年來，一些研究集中於利用高能束流的快速製造技術來製備WC增强複合材料，如以WC-17%Co為原料粉末，採用等離子熔注科技在Q235低碳鋼上製備了WC增强表面金屬基複合材料；以鑄造WC粉末作為增强顆粒，採用雷射熔注科技製備了WC/Fe複合塗層；採用超音速火焰噴塗工藝製備微米結構WC-10Co4Cr塗層等，但這些只能解决資料的表面增强問題，在塊體WC資料的快速製備方面還進展不大。

最近，山東科技大學以W和C粉末為原料，利用自耗電極直流電弧原位冶金科技製備粗晶WC塊體複合材料，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，填充於不銹鋼管內並壓實，低溫烘乾。實驗用直流電弧原位冶金系統主要包括：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粉則在熔池中發生擴散反應。當自耗電極熔化結束後，使其緩慢降溫凝固，獲得製品。

對所獲試樣微觀組織的檢測表明，試樣整體緻密，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WC在熔凝過程中的原位結晶長大，從而達到短流程快速製備塊體資料的目的。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並發生擴散反應，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；與錶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，有利於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。

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