碳化鎢復(fù)合材料制備的一種新方法

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碳化鎢(WC)基硬質(zhì)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(lǐng)域。不同用途的硬質(zhì)合金采用不同粒度的WC。硬質(zhì)合金切削刀具精加工時(shí)采用超細(xì)、亞細(xì)或細(xì)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(fù)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(duì)裂紋有明顯的偏轉(zhuǎn)和分叉作用，故能有效提高硬質(zhì)合金的韌性，因此，世界范圍內(nèi)的礦山工具均采用粗晶WC硬質(zhì)合金。

制備WC硬質(zhì)合金的傳統(tǒng)方法主要是粉末冶金技術(shù)，但該方法工序復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，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(shù)來制備 WC增強(qiáng)復(fù)合材料，如以WC-17%Co為原料粉末，采用等離子熔注技術(shù)在Q235 低碳鋼上制備了WC增強(qiáng)表面金屬基復(fù)合材料；以鑄造WC粉末作為增強(qiáng)顆粒，采用激光熔注技術(shù)制備了WC/Fe復(fù)合涂層；采用超音速火焰噴涂工藝制備微米結(jié)構(gòu)WC-10Co4Cr 涂層等，但這些只能解決材料的表面增強(qiáng)問題，在塊體WC材料的快速制備方面還進(jìn)展不大。

最近，山東科技大學(xué)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(shù)制備粗晶WC塊體復(fù)合材料，取得了突破性的進(jìn)展。他們將W 粉和 C 粉按照質(zhì)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(jié)劑混合均勻，填充于不銹鋼管內(nèi)并壓實(shí)，低溫烘干。實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)升降裝置上，接電源負(fù)極，石墨接電源正極。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(jìn)入坩堝形成熔池，W 粉和C 粉則在熔池中發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)。當(dāng)自耗電極熔化結(jié)束后，使其緩慢降溫凝固，獲得制品。

對(duì)所獲試樣微觀組織的檢測(cè)表明，試樣整體致密，沒有明顯的孔洞和裂紋。該結(jié)果證明，大電流直流電弧能迅速熔化高熔點(diǎn)金屬，可以實(shí)現(xiàn)WC在熔凝過程中的原位結(jié)晶長(zhǎng)大，從而達(dá)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(jìn)入熔池并發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，在高溫條件下W2C更容易生成，隨著C 原子的進(jìn)一步擴(kuò)散，W2C 向WC轉(zhuǎn)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20 μm；而直流電弧原位冶金冷卻速度快，可提供較大的過冷度，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，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(zhǎng)的保溫時(shí)間，有利于WC晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大，因而形成了最大尺寸約為100 μm 的粗晶WC。

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