熱壓燒結(jié)新型 WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金摩擦磨損性能研究

前言

WC硬質(zhì)合金因其高硬度、高耐磨性和良好的熱穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于切削工具、模具和耐磨零件等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)WC硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中易發(fā)生晶粒長大，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，限制了其使用壽命。因此，研究新型WC硬質(zhì)合金的制備工藝及其性能具有重要意義。

本文旨在通過熱壓燒結(jié)工藝，以Al0.5CoCrFeNiTi0.5高熵合金為粘結(jié)劑，制備新型WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金，以抑制傳統(tǒng)WC硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中的晶粒長大，并提高其使用壽命。研究包括制備粘結(jié)劑含量分別為17wt.%、20wt.%和25wt.%的WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金，并以相同工藝制備WC/20wt.%Co作為對照樣品。通過對比分析，探究了新型硬質(zhì)合金的微觀組織、力學(xué)性能及其在室溫和800℃高溫下的摩擦磨損性能。

實(shí)驗(yàn)方法

采用熱壓燒結(jié)工藝，以Al0.5CoCrFeNiTi0.5高熵合金為粘結(jié)劑，制備了粘結(jié)劑含量分別為17wt.%、20wt.%和25wt.%的WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金。同時，以相同工藝制備了WC/20wt.%Co硬質(zhì)合金作為對照樣品。

通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察了硬質(zhì)合金的微觀組織；利用硬度計(jì)和斷裂韌性測試儀測試了硬質(zhì)合金的力學(xué)性能；采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了硬質(zhì)合金在室溫和800℃高溫下的摩擦磨損性能。

結(jié)果與討論

微觀形貌分析

圖2展示了WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的SEM和TEM照片。從圖中可以看出，以Al0.5CoCrFeNiTi0.5為粘結(jié)劑的新型硬質(zhì)合金具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸明顯小于傳統(tǒng)WC/Co硬質(zhì)合金。這種超細(xì)晶結(jié)構(gòu)有助于提高硬質(zhì)合金的力學(xué)性能。

力學(xué)性能

圖3列出了不同粘結(jié)劑含量WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的硬度和斷裂韌性。

其中，WC/20wt.%Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金具有最好的綜合力學(xué)性能，硬度和斷裂韌性分別為（2389±12）HV30和（15.95±0.5）MPa·m1/2，均優(yōu)于相同工藝制備的WC/20wt.%Co硬質(zhì)合金。

摩擦磨損性能

圖4和圖6分別展示了室溫下和800℃高溫下WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)和磨損率。在室溫下，WC/17wt.%Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的磨損率最小，耐磨性能最佳；而在800℃高溫下，WC/20wt.%Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)和磨損率均較低，表現(xiàn)出較好的高溫耐磨性能。

結(jié)論

本文采用熱壓燒結(jié)工藝，以Al0.5CoCrFeNiTi0.5高熵合金為粘結(jié)劑，成功制備了新型WC/Al0.5CoCrFeNiTi0.5硬質(zhì)合金。研究結(jié)果表明，該新型硬質(zhì)合金具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，其綜合力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)WC/Co硬質(zhì)合金。在室溫和800℃高溫下，新型硬質(zhì)合金均表現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

同樣作為表面增強(qiáng)工藝，納米蒸氣粉體包覆技術(shù)則通過絲材電爆制粉工藝，為微米粉末賦予了納米級的獨(dú)特性質(zhì)。

納米蒸氣粉體包覆工藝

納米蒸氣粉體包覆指的是利用絲材電爆制粉工藝，在微米金屬/非金屬粉末表面包覆納米金屬粉末層，兩者間形成熔融焊接結(jié)合，從而使初始粉末獲得更加活躍的理化性能。

其原理是利用絲材電爆制備金屬納米粉的原理，同時在與金屬絲同軸且呈圓柱形的空間內(nèi)分布基體微米粉末（金屬或非金屬），使之形成含微米粉體的“氣柱”。金屬絲電爆氣化后產(chǎn)生的納米蒸氣和基體粉末碰撞，使納米金屬蒸汽在基體粉末表面冷凝，形成被納米金屬層包覆的復(fù)合微米粉。通過控制基體粉末的循環(huán)時間、金屬絲的直徑、單次電爆炸的金屬絲長度、電爆頻率，實(shí)現(xiàn)基體粉末表面金屬包覆量的控制。