硬质合金球齿—超细晶化及梯度结构优化

硬质合金球齿是由硬质相WC与粘结相Co组成的具有高硬度、高强度、高耐磨性以及冲击韧性的凿岩工具。相比于其他材料的同类产品其具有更高的钻掘速度,使用寿命延长了5-6倍,既节省了工时、提高了效率,又减少了换齿频率、减轻了体力劳动。随着工况环境的日趋复杂,凿岩对钻具性能的要求也越来越高,尤其是高风压钻具所使用的硬质合金球齿不仅需要极高的硬度和耐磨性,同时还需要良好的韧性以防止脆性断裂。而细晶结构就能有效地提高合金的使用性能,有研究表明,超细晶及纳米结构的硬质合金球齿在粘结相含量不变的情况下,当WC晶粒度小于1μm时,球齿的硬度和强度都能得到大幅的提升,并且随着WC晶粒度的进一步减小,球齿性能的提高幅度更为显著。由于纳米晶粒度小,而比表面积大、表面活性强,所以具备纳米结构的一些优异性能,如降低烧结所需温度、硬度、强度、耐磨性以及单齿冲击韧性的提高、使用寿命的延长等,是目前硬质合金材料的研究热点之一。

梯度结构硬质合金是在上世纪80年后末期研发出的一种多相结构硬质合金,其主要特点是成分和组织呈梯度分布。梯度结构硬质合金的制备原理是采用低碳硬质合金通过真空烧结获得含η相的硬质合金,并在渗碳气氛中处理以改变Co粘结相的分布使球齿的不同部位分布不同的Co含量。这样一来硬质合金球齿组织结构上呈现出Co的梯度分布,即最外层 — 贫Co层、中间层 — 富Co层、内层 — WC、Co、η三相显微组织。外层由于WC含量较高,具有较好的耐磨性;而中间层Co含量高,具有较好的韧性。因此在凿岩过程中具有更高的破坏载荷。

硬质合金球齿

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钨粉和钼粉喷焊工艺的应用

钨、钼喷涂喷焊工艺在不断优化的过程中,在许多工业部门大显身手。其应用领域有:轴承,承受高负荷的曲轴,鼓风机的叶片,凸轮成形用的冲头,汽车发动机的活塞环、变速器同步环等磨损零件,泵柱塞,炉子滑辊,制造玻璃器皿的模具,发动机活塞的头部和退火轧辊,火箭与喷气式发动机的喷咀等。
 
在内燃机发动机曲轴的轴承表面用等离子火焰喷焊一层由钨粉和镍铬基自熔合金组成的复合涂层,是极好的耐磨轴承表面,能承受大型发动机的极大的负荷。
 
过去,重型机诫用的轴承,一般都是用整体青铜铸造的。为了降低成本,现在改用铸铁制成毛坯,再在铸铁毛坯表面喷涂一层0.1毫米厚的钼底层,再在钥底层上喷涂一层青铜涂层。这种喷涂轴承的寿命是青铜铸造轴承的3、4倍,而且成本降低35%。
 
在镍铬基自熔合金粉中加入10-50%钼粉组成的复合粉末,用氧-乙炔火焰喷涂到冷轧钢板上,其涂层具有熔融涂层的特点,非常适合于修理磨损的轧辊和轴承。需要修理的轧辊的数量是相当多的,日前国内某些单位用3Cr13管丝堆焊修理轧辊,经济效益可观。火焰喷涂方法修理轧辊比堆焊修理质量高,而且工艺较为简单。轴承在运转机械上是必不可少的,磨损报废的轴承修复使用,对降低金属消耗,节约设备维修费用能起巨大作用。
 
英国某煤矿的粉煤分离场在大型鼓风机的叶片上喷涂了钼涂层。为了试验涂层的效果,在磨损最严重的叶片根部喷涂0.08-0.13mm的钼涂层,经过1500小时运转,在喷涂了钼的地方几乎看不到磨损的痕迹,而在未喷涂的地方,山于磨损,叶片变薄。
 
用于冲制汽车车轴支架端部法兰盘的冲头,寿命只能完成200~300个成型作业。为了提高冲头的使用寿命,曾经用各种碳化物、工具钢材料以及镀铬做试验,均未收到显著效果。而在表面喷涂了一层钼的冲头,可冲制3~4万个制品,损坏的冲头,经再喷涂后仍可继续使用。
 
汽车发动机的活塞环、变速器同步环等各种磨损极为严重的零件表面喷涂一层钼,一也可显著提高它们的使用寿命。
 
高密度钨合金是由W-Ni-Fe或W-Ni-Cu组成,其主要成分W的含量高达90%。过去没有考虑这种合金失效后的修复问题。用镍基自熔合金做粘结剂的分级钨粉的热喷涂技术,可望达到修复某些失效钨合金的目的。
 
高密度钨合金由于密度高常用做X射线或丫射线的屏蔽材料。金属吸收X射线或γ射线的能力与其密度成正比。过去在大多数情况下都用铅做各种射线的屏蔽材料。高密度钨合金的密度为铅的1.5倍以上,达到同样屏蔽效果,采用钨合金只需铅的2/3厚就足够了。钨合金已在Co60放射治疗机中用做贮藏器。
高密度钨合金
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稀土对钨电极加工性能的影响

在钨电极中加入不同含量的稀土元素对电极的加工性能会产生不同的影响。稀土粒子能够阻碍钨晶粒变形,因此在钨电极中添加稀土元素,材料的变形抗力会增加,在加工的过程中需要降低道次加工量。另外,稀土钨电极相较于纯钨电极的结晶温度更高,在加工时也要适度提高加工温度。

在稀土钨电极中,稀土相得粒子尺寸大约为1~2um,而钨晶粒约为10~20um。在加工过程中钨晶粒先变形,钨晶粒呈现扁平组织。随着加工的深入,钨晶粒继续扁平化,呈现纤维状组织,稀土粒子也发生变形,组织沿着变形方向延伸。其中较大的稀土粒子开始脆断为小粒子,平行于变形方向分布。到了拉丝阶段,稀土粒子脆裂为1um左右的小粒子。稀土粒子的这种变化使得钨电极材料的组织更加均匀,在加工过程中,可以协调形变,承受更大的变形量。

为了了解稀土粒子对钨电极硬度的影响,采用纳米硬度计进行测试发现机械的压头压在钨基体上时,硬度曲线值达到峰值约为6.4GPa,然后呈下降趋势。随着压下量的增加,曲线下降,说明稀土颗粒的力学特征所占比例越来越大,压入深度在900um左右,显示出的稀土硬度值为5.4GPa,表面稀土粒子的硬度小于钨粒子。因此在相同的条件下,稀土粒子更容易变形,相较于钨晶粒,随着加工的深入,稀土晶粒更容易脆裂为小粒子,而细化的晶粒有利于后续的加工。

钨电极

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钨粉和钼粉在火焰喷涂喷焊中的应用

金属材料品种繁多,性能各异,用途各有不同。人们总是想用最小的代价,换取最大的价值。钨、铝是贵重金属,一般小型钨、铝器件不得不用整体材料制做,然而大型钨、钥器件用整体材料制做是非常不经济的。
 
自从热喷涂喷焊工艺问世后,钨、钥的热喷涂喷焊工艺也提到议事日程上来了。用廉价金属材料预制成坯件,在需耍的地方热喷涂喷焊一层钨、泪,达到与使用整体钨、钥材料同样的效果,或者与坯件表面形成合金,达到使坯件表面改性的目的,这样便节约了大量的贵重钨、铝材料。钨、铝是高熔点金属,用一般火焰难于直接熔化。经过最近十儿年的努力探索,利用等离子火焰对高熔点金属进行热喷涂喷焊已不再是一件难事。但是等离子喷涂喷焊设备费用昂贵,而且还需要氢气做载体,限制了它的普遍采用。因而又发展了一种采用添加自熔合金的燃烧火焰的热喷涂喷焊技术。气体燃烧火焰虽然难于直接燃化钨、钥等高熔点金属粉末,但火焰把添加的自熔合金熔
化后,熔化了的自熔合金可以把钨、铝粉末牢固地粘结到坯件上。
 
鉴于火焰喷涂喷焊工艺的需要,钨粉和铝粉必须要有很好的流动性,否则,喷咀或粉末通道被流动性不好的粉末堵住,喷涂喷焊工艺便无法继续进行一般工业钨粉和州粉的粒度分布范围很宽,无法直接使用。经过一些学者一年多米的努力探索,可以用特殊的分级方法把分布范围缩小,从而达到合理使用。用筛分或特制的分级机都可达到粉末分级的目的。火焰喷涂喷焊适用的粒度范围一般在10~100微米之间。可以把这种粒度范围的粉末分成10~50微米和50~100微米两种粒级分别使用。根据特殊要求,也可以把这个粒度范围的粉末分成其它粒级使用。
 
热喷涂喷焊工艺
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钨电极的应用

钍钨电极

钨电极在焊接领域的应用是最广泛的。在等离子弧焊接、切割及非熔化及氩弧焊中大多采用钍钨电极,但是由于钍钨电极具有一定的放射性,会对环境和人体健康产生一定的影响,其中钍钨电极放射性活度达13.22x1015Bq/kg。随着研究的深入和技术的革新,生产者研究出了不同性能的稀土钨电极,用来代替高性能的钍钨电极,其中铈钨电极和镧钨电极的使用较为广泛。在钨中添加含量为2%~4%的氧化铈,制得而成铈钨电极。铈钨电极常用于直流电中,不仅容易引弧,电极烧损量少,且允许的焊接电流密度大于钍钨电极。而用于交流氩弧焊中,铈钨电极的烧损率会高于钍钨电极,且选用的焊接电流允许范围要小于钍钨电极。

钨电极还可以用于电光源领域中,稀土钨电极具有功函数低、熔点高和蒸汽压力低等特点,所以常作为灯用放电电极材料。钨电极耐腐蚀、抗高温等性能,这些优良性能可以减低负载温度、减少电极烧损和侵蚀,从而延长灯泡的使用寿命。钍在钨中的可溶度低,因此钍钨电极用于灯泡中不仅能保持低的功函数,且也能产生稳定的电极电弧。为了扩大钨电极在电光源领域的应用,研究者通过液-固混合制备而成小功率金卤灯电极,并组装成70W的金卤灯整灯,对比不同稀土钨电极的在灯泡中的应用发现,镝钨电极和镝钇电极金卤灯的防溅性能和抗腐蚀性能可以达到钍钨电极的水平。

钨电极也常用于等离子发生器中。电弧等离子具有很高的热源温度、能量集中和加热效率高等性能,被广泛应用于切割、热喷涂、焊接、熔炼、新材料合成、超细粉末制备等领域。在等离子发生器中阴极要承受高温辐射和高能离子轰击和烧蚀,钨电极具有高强度、抗腐蚀和耐高温等特性,被认为是在等离子发生器中最佳的阴极材料。

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