期刊名称：《中国钨业》
国内统一刊号(CN)：CN11-3236/TF 国际标准刊号(ISSN)：ISSN1009-0622 创办日期：1986年 刊 期：双月刊 电 话：0797-8106067 网址：zgwu@chinajournal.net.cn
主管部门：中国有色金属工业协会 主办单位：中国钨业协会 协办单位：赣州有色冶金研究所有限公司
硬质合金兼具高强度、高硬度的特性，但也存在着强度和韧性相互制约的弊端。传统的硬质合金已经很难满足产业快速发展的需求，超细晶硬质合金相比于传统硬质合金具有更高的硬度和耐磨性以及更好的断裂韧性。本文从超细晶硬质合金的配料、晶粒控制、制备工艺等方面，综述了近年来关于超细晶硬质合金的研究进展，对比了不同黏结剂含量、粉末制备、烧结工艺以及添加不同晶粒长大抑制剂后超细晶硬质合金的性能差异，指出了晶粒异常长大是硬质合金制备过程中存在的主要问题。最后，对超细晶硬质合金制备过程中，以高熵合金作为黏结剂制备出的超细晶硬质合金晶粒度以及力学性能展开了讨论。
碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯（GO）、碳化硅晶须（SiCw）作为陶瓷复合材料的增韧相，能够大大提高复合材料的性能，为了研究CNTs、GO、SiCw对再生YG8硬质合金力学性能和微观组织的影响。本研究采用粉末冶金的方法制备了同一含量不同增韧相的再生YG8硬质合金，并对其物理性能、力学性能和显微组织进行分析。结果表明，含有0.2%SiCw的再生YG8硬质合金的矫顽磁力、密度、硬度、断裂韧性和抗弯强度提升幅度最大，分别提高了30.5%、0.6%、4.7%、10.2%和8.3%，并且晶粒尺寸也最小。
本文利用快速热压烧结的方法制备了含有SiC晶须的超细晶WC-12Co硬质合金，分析了添加不同体积分数的SiC晶须对WC-12Co硬质合金微观组织和力学性能的影响，并研究了SiC晶须增韧超细晶硬质合金的机理。研究结果表明：添加SiC晶须可以细化WC晶粒；随着SiC晶须含量的增加，合金的硬度先下降再上升，断裂韧性先上升再下降。合金受到外力时，SiC晶须从合金基体中拔出，并引起裂纹的偏转和桥接，从而提高合金的断裂韧性。适当延长WC-12Co粉末和SiCw的球磨时间，可以改善合金的微观组织均匀性，避免SiC晶须的团聚，在不降低合金断裂韧性的前提下提高其硬度，获得高的综合力学性能。
对WC-8Co超粗晶硬质合金在–190℃下进行了不同时间的深冷处理，利用电子背散射衍射（EBSD）技术观察了合金中WC晶粒度、粒度分布、黏结相的HCP/FCC相结构及WC/WC界面的变化规律；同时，通过X射线衍射分析了不同深冷时间下圆柱形合金试样表面不同位置处的残余应力变化；测量了不同深冷处理时间下合金的常规物理力学性能。结果表明：深冷时间对硬质相WC的晶粒度、粒度分布及WC/WC界面分布没有显著影响，Σ2特殊晶界的占比基本保持不变；深冷处理对合金结构的影响主要体现在黏结相结构的变化上，随着深冷时间的延长，黏结相中HCP-Co的含量逐渐提升，并在深冷处理16 h后达到稳定状态，HCP/（HCP+FCC）比例从处理前的10%提升至约35%；深冷处理显著增强了超粗晶WC-8Co硬质合金表面的残余压应力，并使合金试样不同位置的残余应力分布更加均匀；尽管合金的硬度及磁饱和受深冷处理的影响有限，但其矫顽磁力最高增加了10%，抗弯强度、压缩强度和断裂韧性均提高最高约5%，且强度的分散性得到明显改善；合金耐磨性最高提升约10%。综合来看，超粗晶WC-8Co硬质合金深冷处理24 h可获得最优性能。
采用振荡压力烧结与两步烧结工艺结合，衍生出两步振荡压力烧结工艺，并辅以晶粒生长抑制剂（VC、Cr_3C_2）制备无黏结剂硬质合金（WC基陶瓷），研究了ZrO_2-20%Al_2O_3（质量分数，下同）复合粉体含量对WC基陶瓷显微结构、力学性能与摩擦学性能的影响。结果表明，引入ZrO_2-20%Al_2O_3复合粉体可有效改善WC基陶瓷的烧结性能、综合力学性能以及摩擦学性能；当ZrO_2-20%Al_2O_3含量达到8%时，材料综合力学性能达到最佳，其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为28.08 GPa,8.41 MPa·m~(1/2)和1 553 MPa。结构性高度差耐磨结构的产生，使得磨痕轨迹表面的磨屑数量得到控制，削弱磨粒磨屑与摩擦材料间的黏附效应，同时促进WC基陶瓷摩擦学性能的显著提升，最佳摩擦学性能的摩擦系数和磨损率分别达到0.50和2.1×10~(–7) mm~3/（N·m）。
针对WC_P/Stellite6复合涂层在高速激光熔覆过程中易开裂的问题，本文通过设计梯度陶瓷相含量的方法，以降低高硬度涂层与基材间热膨胀差异引起的开裂倾向，并使用高速激光熔覆技术制备了30%WC含量的耐磨复合涂层。借助XRD、SEM、维氏硬度计和摩擦磨损试验机等对涂层的组织性能和摩擦磨损性能进行了系统研究。结果表明：高速激光熔覆WC_P/Stellite6梯度复合涂层内部致密且无明显缺陷，WC颗粒基本保持球状形态且分布较为均匀。复合涂层中WC与Stellite6合金间形成冶金过渡层，呈现出不同形貌的合金碳化物，其主要源于熔覆过程中的元素扩散反应。当WC含量为10%和30%时，复合涂层的平均硬度分别达到684.5 HV_(0.2)和867.2 HV_(0.2)，体积磨损率相较于基材分别降低了54.1%和79.1%，同时摩擦系数分别降低了16.7%和21.3%，表现出良好的摩擦磨损性能。复合涂层的主要磨损机制为磨粒磨损，其中WC颗粒表现出明显的阻碍磨粒切削作用，以保护合金基体并提高耐磨性。复合氧化物的磨损产物易贮存于突出的WC颗粒附近，可发挥良好的润滑减摩作用。
为了从纳观尺度揭示WC-CoCrNiFeCu硬质合金力学性能变化的微观机理，本研究利用分子动力学模拟了WC-HEA硬质合金在不同温度下的拉伸力学性能。在整个拉伸过程中，材料依次经历了弹性形变、塑性形变到断裂失效三个阶段。在弹性形变阶段，材料的杨氏模量为一定值；随着应力的增加，材料产生不均匀塑性变形，模型内HEA区域原子发生位错反应，并伴随着孪晶及层错的产生，HEA由原有的FCC结构部分转变为BCC结构，形成FCC+BCC的亚稳定结构，能够有效提高拉伸过程中材料的延展性，这表明WC-HEA硬质合金的塑性变形与材料的相变有关；随着模拟温度的升高，模型内原子热运动和晶格膨胀增加，导致位错产生源减少，同时部分位错相互作用并重新排列，位错数量也会相应减少，这一现象使得材料塑性得到提升的同时力学强度发生下降。采用放电等离子烧结制备了WC-HEA硬质合金刀具材料，烧结后的材料新增了BCC结构，可能是HEA中的Cr元素富集引起了这一现象的发生。当烧结温度为1 400℃时，WC-HEA硬质合金材料的综合力学性能达到最佳，其硬度为21.49 GPa，断裂韧性为16.01 MPa·m~(1/2)，抗弯强度为1 293 MPa。
在刀具实际生产过程中，粉末粒度接近的原料制备的刀具在加工性能上存在一定差异。本文选取3种粒度接近的碳化钨粉末原料制备了3种WC-12Co硬质合金棒材，并用该棒材制备了3种钛合金铣削加工用刀具。对3种原料粉末特性和所制备的合金组织结构及力学性能进行了分析，并对3种刀具进行切削试验，探讨硬质合金的粉末特性-合金性能-刀具切削寿命的关联机制。结果表明：硬质合金的力学性能与原料粉末特性有关，晶粒尺寸小、粒度分布范围最窄、均匀性最好的粉末制备的硬质合金晶粒最细、组织均匀性最好、力学性能最好；原料粉末中的硬团聚颗粒具有遗传效应，导致所制备的合金组织内部出现夹粗、颗粒异常长大等缺陷，显著恶化合金材料强度和韧性；硬质合金刀具的切削寿命与硬质合金力学性能有关，力学性能最佳的硬质合金制备的刀具切削寿命最长。
镍基高温合金GH4169因其优异的综合性能被广泛应用于航空航天等领域。然而，GH4169是一种公认的难加工材料。本研究评价了不同浓度的石墨烯纳米流体热物理性能和摩擦学性能，并基于石墨烯纳米流体微量润滑进行了一系列车削试验，对加工GH4169时切削温度、加工表面粗糙度及刀具寿命进行了测量。结果表明，与微量润滑切削相比，石墨烯纳米流体微量润滑通过自身高导热性、减摩特性加快散热、减少摩擦生热以及形成润滑膜，有效降低切削温度和加工表面粗糙度，从而提高刀具寿命。
为探究WC-HEA硬质合金切削性能，本研究以AlCoCrFeNi为黏结相，分析了高熵合金与La_2O_3对硬质合金切削力、切削温度的影响；阐述了WC-10AlCoCrFeNi-La_2O_3刀具的磨损形貌与磨损机制，结果表明：切削速度为180 m/min时，相对YG8硬质合金刀具，WC-HEA0L主切削力、进给抗力和背向力分别下降6.43%、13.66%、17.08%;WC-HEA0.075L主切削力、进给抗力和背向力分别下降7.44%、16.35%、20.92%。WC-HEA0L、WC-HEA0.075L刀具切削温度分别下降2.95%、8.58%;WC-HEA0L、WC-HEA0.075L刀具切削时间可分别延长12.5%、21.25%；高熵合金刀具能有效减弱切屑与刀具间的元素扩散，磨损机制为黏结磨损与氧化磨损；添加适量La_2O_3能进一步减缓刀屑元素扩散速率，加强刀具表面强度，延长使用寿命。
切削力和切削温度是衡量刀片切削性能，影响工件表面质量的两个重要物理量。本研究基于AdvantEdge有限元仿真软件建立了45号钢车削三维模型，研究了两种不同断屑槽刀片的切削力和切削温度变化规律，同时开展了相应的切削试验研究，并测量了刀片全寿命周期内的切削力和切削温度。结果表明，在研究切削参数范围内，具有较大前角的槽型A刀片的切削力和切削温度更低。本研究对刀片断屑槽结构优化设计，降低切削力和切削温度具有一定的指导意义。