由WC和Co組成鎢鈷類硬質合金具有優異的硬度和耐磨性等性能,是一種應用廣泛的工具、結構材料。但鎢鈷類硬質合金中的橫向斷裂強度與硬度之間存在排斥現象,即提升強度則會損害硬度,提升硬度則必導致其強度減弱。這是一個一直難以解決的技術難題。研究表明,顯微組織具有超細晶特點的鎢鈷類硬質合金,可以實現強度與硬度的同步提升;一般要求,晶粒度在0.2~0.5微米的鎢鈷類硬質合金可稱為超細晶硬質合金。然而,在制備WC-Co硬質合金的燒結階段,晶粒會產生晶粒長大現象。為了實現鎢鈷類硬質合金的細小晶粒度,一般從兩個方面著手。傳統的方法是以WC和Co混合粉末為原料,球磨后混合制粒,然后壓制成形,再進行壓力燒結。為了避免晶粒長大,在混合粉末中添加VC和Cr2C3等晶粒長大抑制劑。另一種思路是采用晶粒度小的WC-Co復合粉末作原料。科研工作者遵循第二種思路,采用經噴霧轉化、煅燒、低溫還原碳化工藝制備出的納米晶WC-6%Co復合粉末為原料,其中平均晶粒尺寸在50納米以下且分布均勻,不添加晶粒長大抑制劑,經濕磨、成形和壓力燒結工藝,成功制備出晶粒度在400納米左右的超細晶WC-Co硬質合金,取得了良好效果。
對所獲材料顯微組織的檢測表明,他們用復合粉末制備的硬質合金晶粒尺寸小于0.5微米,屬超細晶粒范疇,且WC晶粒大小分布均勻,WC之間均有Co相起粘結作用,搭橋現象大為減少,部分晶粒棱角發生了溶解消除,邊緣更加圓滑,使合金在應用時不容易出現應力的過分集中。這些都有利于提高材料的力學性能。而傳統方法混合粉末制備的合金中WC晶粒存在異常長大現象,這必將嚴重損害超細硬質合金的力學性能。
橫向斷裂強度與硬度的檢測證明,以復合粉末為原料制備的超細晶WC-Co硬質合金的強度與硬度均高于傳統混合粉末制備的材料。特別是復合粉末制備試樣的橫向斷裂強度達到4304N/mm2,遠高于混合粉末制備試樣的橫向斷裂強度(3200N/mm2);復合粉末制備的試樣硬度為93.1HRA,也優于混合粉末制備試樣的硬度(91.5HRA)。分析認為這與復合粉末的WC晶粒度細小,平均晶粒尺寸在50納米以下且分布均勻,復合粉末中組元分布較均勻,W、C、Co三種組元分布達到分子級均勻等有關。
他們的試驗還發現,以復合粉末為原料制備的超細晶WC-Co硬質合金的與傳統方法制備的材料在矯頑磁力值上具有明顯差別。根據分析,合金中Co含量相同時,隨著WC晶粒度的減小,Co相分散度增加,其平均自由程減小,矯頑磁力會增大。復合粉末制備試樣矯頑磁力為34kA/m,傳統方法制備的試樣為26.7kA/m。由此也可證明以復合粉末為原料制備的超細晶WC-Co硬質合金中WC晶粒度比傳統混合粉末制備的試樣晶粒度小。