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北工大《JAC》：提高WC-Co超粗晶硬質(zhì)合金的耐磨性研究！

2022-04-28 17:10:41 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

WC-Co超粗硬質(zhì)合金平均粒徑大于5 μm，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)開發(fā)、道路建設(shè)、隧道挖掘等工具領(lǐng)域。具有高斷裂韌性和硬化粘結(jié)相的硬質(zhì)合金可能具有更高的耐磨性，進(jìn)而延長使用壽命。前者可以降低硬質(zhì)合金的脆性斷裂，后者可以減緩粘結(jié)相的磨損速度，從而保護(hù)WC晶粒不被破碎和掉落。WCoB是一種典型的三元硼化物，具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和極高的硬度。而WCoB的加入對涂層中WC晶粒長大抑制作用較小，可以制得添加少量WCoB的超粗硬質(zhì)合金。

近日，北工大系統(tǒng)研究了不同WCoB添加量制備的超粗WC-Co硬質(zhì)合金的磨損行為，提出了WCoB對超粗硬質(zhì)合金耐磨性影響的機(jī)理。相關(guān)論文以題為“On the enhanced wear resistance of ultra-coarse WC-Co cemented carbides by WCoB addition”發(fā)表在Journal of Alloys and Compounds。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162449

研究表明WCoB本身具有較高的硬度，可以降低相鄰WC晶粒的應(yīng)力集中，形成結(jié)合強(qiáng)度較高的WCoB/WC和WCoB/Co界面，有利于提高硬質(zhì)合金的韌性和斷裂強(qiáng)度。

圖1（a）三種硬質(zhì)合金的相結(jié)構(gòu)，（b，c）WC-1.0WCoB-8Co的掃描電鏡顯微照片以及A點和B點處的EDX結(jié)果，（d）硬質(zhì)合金的硬度和TRS。

圖2在100N下滑動操作60分鐘后，不同WCoB添加的所制備的硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)曲線（a）和磨損率（b）

圖3 磨損軌跡的 3D 形態(tài)：（a） WC-8Co、（b） WC-0.2WCoB-8Co、（c） WC-1.0WCoB-8Co，以及（d）在 100N 下磨損 60 分鐘的樣品橫截面

隨著WCoB含量的增加，超粗硬質(zhì)合金的摩擦因數(shù)和磨損率降低明顯，磨損痕跡的寬度和深度都隨著WCoB含量的增加而減小。WCoB含量為1.0%的硬質(zhì)合金的摩擦因數(shù)為0.281，磨損率為0.77*10?6 mm3/N·m，分別為WC-8Co的72%和46%。

圖4WC-8Co （a1-a4）和WC-1.0WCoB-8Co （b1-b4）中典型區(qū)域在不同磨損階段的X 方向局部應(yīng)力分布

WCoB周圍的WC在X方向上的局部應(yīng)力都遠(yuǎn)低于Co周圍的WC，WCoB的添加降低了應(yīng)力集中，使應(yīng)力分布均勻，可以減少裂紋的萌生和WC晶粒的斷裂，進(jìn)而提高硬質(zhì)合金的耐磨性。

圖5 不同合金的摩擦和磨損原理圖：（a）WC-Co，（b）WC-WCoB-Co。

添加少量WCoB的超粗硬質(zhì)合金的磨損機(jī)制包括劃痕損傷、粘結(jié)劑磨損缺失，以及WC晶粒的變形、破碎和掉落，而未添加WCoB的合金的磨損失效主要由WC晶粒的破碎和掉落來決定。含WCoB的硬質(zhì)合金由于WCoB對Co缺失后可能發(fā)生斷裂和掉落的WC晶粒具有保護(hù)作用，因此具有較高的耐磨性。

綜上所述，研究人員開發(fā)了具有高耐磨性的超粗硬質(zhì)合金，并且通過實驗和有限元仿真研究了WCoB添加對超粗WC-8Co硬質(zhì)合金耐磨性的影響，結(jié)果表明高硬度的WCoB在WC/WC和WC/Co界面處均勻分布，使得WC晶粒中應(yīng)力分布均勻，并且能夠在Co缺失后支撐WC晶粒。因此，降低了硬質(zhì)合金在磨損過程中WC顆粒脆性斷裂和掉落的可能性，這為設(shè)計具有高耐磨性和斷裂韌性的超粗硬質(zhì)合金提供了一種方法。

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