碳化钨复合材料制备的一种新方法

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碳化钨(WC)基硬质合金具有高的硬度、较小的热膨胀系数和优良的耐磨及耐腐蚀性能，被广泛用于采煤、采矿、石油勘探和金属切削等领域。不同用途的硬质合金采用不同粒度的WC。硬质合金切削刀具精加工时采用超细、亚细或细颗粒WC；重力切削和重型切削中、采用粗颗粒WC；在矿山工具方面，如岩石硬度高，冲击负荷大，需采用粗颗粒WC；在耐冲击工具方面，以采用中、粗颗粒WC原料为主。由于粗WC晶粒对裂纹有明显的偏转和分叉作用，故能有效提高硬质合金的韧性，因此，世界范围内的矿山工具均采用粗晶WC硬质合金。

制备WC硬质合金的传统方法主要是粉末冶金技术，但该方法工序复杂，时间长，能耗高。近年来，一些研究集中于利用高能束流的快速制造技术来制备 WC增强复合材料，如以WC-17%Co为原料粉末，采用等离子熔注技术在Q235 低碳钢上制备了WC增强表面金属基复合材料；以铸造WC粉末作为增强颗粒，采用激光熔注技术制备了WC/Fe复合涂层；采用超音速火焰喷涂工艺制备微米结构WC-10Co4Cr 涂层等，但这些只能解决材料的表面增强问题，在块体WC材料的快速制备方面还进展不大。

最近，山东科技大学以W 和C 粉末为原料，利用自耗电极直流电弧原位冶金技术制备粗晶WC块体复合材料，取得了突破性的进展。他们将W 粉和 C 粉按照质量比93:7 配成混合粉末。自耗电极基材为1Cr18Ni9Ti 不锈钢管。将混合粉末与适量Na2SiO3·9H2O 粘结剂混合均匀，填充于不锈钢管内并压实，低温烘干。实验用直流电弧原位冶金系统主要包括：大功率逆变直流电源、自动升降装置以及底部为石墨电极的冶金坩埚。自耗电极安装在自动升降装置上，接电源负极，石墨接电源正极。实验时，自耗电极匀速下降与石墨电极接触引燃电弧，在直流电弧作用下自耗电极不断熔化，进入坩埚形成熔池，W 粉和C 粉则在熔池中发生扩散反应。当自耗电极熔化结束后，使其缓慢降温凝固，获得制品。

对所获试样微观组织的检测表明，试样整体致密，没有明显的孔洞和裂纹。该结果证明，大电流直流电弧能迅速熔化高熔点金属，可以实现WC在熔凝过程中的原位结晶长大，从而达到短流程快速制备块体材料的目的。相分析表明，在直流电弧原位冶金过程中，W 和C 元素通过溶解进入熔池并发生扩散反应，在高温条件下W2C更容易生成，随着C 原子的进一步扩散，W2C 向WC转变。一般高能束表面冶金能提供更大的过冷度，但降温速率过快，WC最大晶粒尺寸通常仅为20 μm；而直流电弧原位冶金冷却速度快，可提供较大的过冷度，当达到临界值时，WC晶粒得以迅速成核；与表面冶金在基材表面形成的熔池相比，直流电弧原位冶金熔池能保持较长的保温时间，有利于WC晶粒的进一步长大，因而形成了最大尺寸约为100 μm 的粗晶WC。

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