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(lái),一些研究集中于利用高能束流的快速制造技術(shù)來(lái)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(wèn)題,在塊體WC材料的快速制備方面還進(jìn)展不大。
最近,科研工作者以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(méi)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(guò)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(guò)程中,W 和C 元素通過(guò)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(guò)冷度,但降溫速率過(guò)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(guò)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。