硬质合金球的内应力

硬质合金球是一种由难熔金属碳化钨（WC）粉末为主成分、以钴（Co）或镍（Ni）等为粘结剂，通过粉末冶金工艺烧结而成的球状制品。其内应力的形成主要源于材料制备过程中微观组织的不均匀性，具体机制及影响如下：

一、内应力形成机制

1. 热膨胀系数差异

在烧结过程中，钴（Co）粘结剂与碳化钨（WC）基体的热膨胀系数存在显著差异。当材料从高温冷却至室温时，由于两者收缩速率不同，会在界面处产生残余应力。这种应力在硬质合金球中表现为钴相的拉应力与碳化钨相的压应力，且应力绝对值随相体积百分数的减少而增大。

2. 晶粒尺寸效应

WC晶粒度：WC晶粒尺寸的变化会直接影响各相的热应力分布。例如，WC晶粒度增加会导致钴相中拉应力降低，而WC晶粒内部压应力增大。

钴层厚度：钴含量越高，粘结相的平均自由程（钴层厚度）越大，合金的矫顽磁力越小，内应力分布越不均匀。细晶粒合金因晶界面积大，内应力释放速率较慢，残余应力水平通常高于粗晶粒合金。

3. 相变与组织不均匀性

烧结过程中可能出现的相变（如γ-Co向ε-Co转变）或组织不均匀性（如钴相偏聚）会进一步加剧内应力。例如，钴相在烧结冷却时的马氏体相变会产生体积变化，导致局部应力集中。

二、内应力对性能的影响

1. 机械性能

强度与韧性：内应力会降低硬质合金球的抗弯强度和断裂韧性。

疲劳寿命：内应力会加速疲劳裂纹的萌生与扩展。在交变应力作用下，高应力区域（如钴相与WC晶粒界面）易成为疲劳源，导致疲劳寿命显著降低。

2. 尺寸稳定性

内应力会导致硬质合金球在存储或使用过程中发生蠕变或尺寸变化。例如，未经深冷处理的硬质合金模具在加工过程中易因内应力释放而变形，影响产品精度。

3. 耐磨性与耐腐蚀性

耐磨性：内应力会降低硬质合金球的耐磨性。应力集中区域在摩擦过程中易产生微裂纹，加速材料磨损。

耐腐蚀性：内应力可能破坏合金表面的钝化膜，降低其在腐蚀环境中的稳定性。例如，在酸性介质中，应力腐蚀裂纹易沿高应力区域扩展。

三、内应力控制与优化

1. 深冷处理技术

将硬质合金球置于极低温环境下进行深冷处理，可显著减少内部应力。其原理包括：

应力释放速率减缓：低温环境下，原子扩散速率降低，内应力释放更均匀，减少裂纹萌生风险。

晶体结构优化：深冷处理可促使钴相发生马氏体相变逆转变，消除相变应力，同时细化WC晶粒，提高组织均匀性。

孔隙与裂纹减少：低温收缩作用可闭合微观孔隙，减少应力集中源。例如，经深冷处理的硬质合金模具尺寸稳定性提高，使用寿命延长30%以上。

2. 工艺参数优化

烧结温度与时间：适当提高烧结温度或延长保温时间可促进钴相均匀分布，减少内应力。但需避免过烧导致晶粒粗化。

冷却速率控制：采用分级冷却工艺（如先快冷再缓冷）可降低热应力。

3. 材料成分设计

钴含量调整：在保证强度的前提下，适当降低钴含量可减少粘结相体积分数，降低内应力水平。例如，YG6合金（钴含量6%）的内应力低于YG8合金（钴含量8%）。

添加剂引入：添加少量Ni、Cr等元素可提高钴相的韧性，缓解应力集中。例如，含Ni的硬质合金在小应力比加载时疲劳敏感性低于纯钴合金。