周書助 ，蘭登飛，鄢玲利，尹紹峰

(1.湖南工業(yè)大學(xué)，冶金工程學(xué)院，株洲 412000；2.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，株洲 412000)

鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以鋼為粘結(jié)相，難溶金屬碳化物(主要有WC、TiC等)為硬質(zhì)相的一種復(fù)合材料[1]。它最早由美國鉻合金公司于20世紀(jì)60年代研制成功并投入工業(yè)生產(chǎn)，隨后許多工業(yè)國家紛紛涉足這一領(lǐng)域。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能介于硬質(zhì)合金和鋼之間，與鋼相比，有更高的硬度、更好的耐磨性及更高的彈性模量和抗壓強(qiáng)度；與硬質(zhì)合金相比，有良好的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。此外，鋼結(jié)硬質(zhì)合金還有著廣泛的工藝特性，如可加工性，可熱處理性和可鍛性等。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的用途非常廣泛，主要應(yīng)用于模具和切削刀具領(lǐng)域，在機(jī)械、礦冶、建筑、軍事、航空航天等領(lǐng)域中作為耐磨零件也發(fā)揮著重要作用，如：粉碎機(jī)上的輪齒、軋鋼機(jī)上的軋輥、噴氣發(fā)動機(jī)的燃油泵轉(zhuǎn)子和葉片、載人飛船導(dǎo)航系統(tǒng)中的氣體軸承等都是用鋼結(jié)硬質(zhì)合金生產(chǎn)的[2]。

1 成分、界面和性能

1.1 成分與界面

1.1.1 粘結(jié)相

鋼結(jié)硬質(zhì)合金的粘結(jié)相強(qiáng)化越來越受到重視，粘結(jié)相成分也越來越多樣化。以富鐵的Fe-Co-Ni作為粘結(jié)劑的鋼結(jié)硬質(zhì)合金，其性能甚至優(yōu)于WC-Co硬質(zhì)合金，因?yàn)樵贔e-Co-Ni系中可通過馬氏體相變、沉淀硬化和有序?無序相變使合金強(qiáng)化，其抗彎強(qiáng)度與普通硬質(zhì)合金相當(dāng)，綜合性能優(yōu)異。甘可可[3]認(rèn)為在還原鐵粉中加入一定比例的羰基鐵粉有助于材料性能的提高，機(jī)理是羰基鐵粉粒度小，在混料時(shí)吸附于其它粉末表面或填充到空隙中，減小合金孔隙率；其近球狀結(jié)構(gòu)和良好的塑性可改善壓制性能。此外，羰基鐵粉的比表面活性大，可促進(jìn)燒結(jié)過程中粉末的表面擴(kuò)散，有助于燒結(jié)頸的早期形成。

稀土元素在合金中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常小，一般為0.4%～0.8%，但對材料組織和性能有極大影響。甘可可[3]發(fā)現(xiàn)球磨時(shí)稀土元素鈰和鑭與體系中的活性氧、硫反應(yīng)，生成穩(wěn)定的硫氧化物，起到脫硫脫氧的作用。尤顯卿等[4]根據(jù)固體分子經(jīng)驗(yàn)電子理論，指出加入稀土元素可抑制WC的溶解和復(fù)式碳化物Fe3W3C的生成，減少硬質(zhì)相橋接現(xiàn)象，抑制裂紋的形成與擴(kuò)展。WANG等[5]認(rèn)為稀土元素易與其它元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物，從而增加硬質(zhì)相的形核質(zhì)點(diǎn)，提高形核率，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。燒結(jié)時(shí)，稀土元素能減小液相的表面張力，有利于液相流動和對硬質(zhì)相顆粒的潤濕，提高致密度。與添加稀土氧化物的方式相比，以Fe-RE中間合金的方式添加稀土元素，材料性能得到更顯著的改善。

1.1.2 硬質(zhì)相

在國外，實(shí)際生產(chǎn)中硬質(zhì)相以TiC居多，而我國鎢資源較豐富，TiC和WC均衡發(fā)展。隨著各國對鋼結(jié)硬質(zhì)合金的研究深入，出現(xiàn)了更多新型硬質(zhì)相，如：TiN、SiC、TiB2、NbC、VC、Al2O3、Cr2C3和ZrO2等[6]。

圖1 TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)[7]Fig.1 Microstructures of TiC based steel bonded carbides

此外，復(fù)合型硬質(zhì)相也受到越來越多的重視。Ti(C,N)的硬度較TiC低，但耐磨性和耐腐蝕性能十分優(yōu)異，而且和TiC為同晶型，可生成連續(xù)固溶體，是很好的增強(qiáng)相[8]；(Ti,V)C屬于立方NaCl晶體結(jié)構(gòu)，在重載滑動摩擦條件下有著優(yōu)異的耐磨性[9]；與TiC相比，(Ti,W)C的密度更接近合金熔體的密度，采用原位合成鑄造法生產(chǎn)大體積鋼結(jié)硬質(zhì)合金時(shí)，不會在凝固過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象[10]。

1.1.3 界面結(jié)合

圖2 不同工藝制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金SEM形貌[6, 14]Fig.2 SEM images of steel bonded carbide prepared by different processes

硬質(zhì)顆粒與基體的緊密結(jié)合是材料獲得最大強(qiáng)度的前提條件。METCALFE[11]將硬質(zhì)相顆粒與基體的界面結(jié)合分為3種類型：1) 機(jī)械結(jié)合。為物理作用，界面結(jié)合強(qiáng)度差；2) 溶解與潤濕結(jié)合。硬質(zhì)相與基體不反應(yīng)，但相互溶解；3) 反應(yīng)結(jié)合。在硬質(zhì)相與基體之間形成界面反應(yīng)層，界面結(jié)合強(qiáng)度高，但過度的界面反應(yīng)使界面處成為薄弱環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脆性金屬間化合物，使材料性能降低。界面結(jié)合強(qiáng)度與鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備工藝有關(guān)，圖2所示為采用不同工藝制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金的SEM形貌，由圖可見粉末冶金TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的組織特點(diǎn)是形狀規(guī)則的TiC顆粒均勻彌散分布在鋼基體中，界面結(jié)合類型為機(jī)械結(jié)合，增強(qiáng)顆粒與鋼基體沒有相互反應(yīng)或溶解；用鑄造法生產(chǎn)的鋼結(jié)硬質(zhì)合金，界面結(jié)合良好，但硬質(zhì)顆粒在鋼基體中存在偏聚現(xiàn)象；用電冶熔鑄法生產(chǎn)的鋼結(jié)硬質(zhì)合金，增強(qiáng)顆粒和鋼基體結(jié)合牢固，為反應(yīng)結(jié)合。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)硬質(zhì)相處于碳非飽和狀態(tài)時(shí)，有利于提高硬質(zhì)相與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度[12]。要提高界面結(jié)合強(qiáng)度則必須改善硬質(zhì)相與基體的潤濕性，控制有害的界面反應(yīng)，避免氧化物的形成[13]。眾所周知，在真空1 500 ℃條件下，WC與鐵的潤濕角為0°，TiC與鐵的潤濕角為41°。因此，與TiC相比，WC與鋼基體的結(jié)合更緊密，因而WC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性也更優(yōu)異。對于與鋼基體潤濕性差的硬質(zhì)相，可在原料中加入合金元素鉬或稀土元素來改善潤濕性，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

1.2 材料性能與影響因素

鋼結(jié)硬質(zhì)合金的硬度不僅與硬質(zhì)相顆粒的體積分?jǐn)?shù)、晶粒大小及分布狀況有關(guān)，還與鋼基體的組織結(jié)構(gòu)、淬透性有關(guān)。TERRY[15]研究發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，合金的硬度隨硬質(zhì)相含量增加而增加，因?yàn)橛操|(zhì)顆粒分布在晶界上，可強(qiáng)烈阻止晶粒長大，從而提高材料的硬度。但過多的硬質(zhì)相顆粒則可能不止聚集于晶界，還會在其他地方聚集，影響合金的硬度。在球磨和壓制成形過程中，細(xì)小的硬質(zhì)顆粒更容易填充到孔隙中，提高致密度。DOGAN等[16]發(fā)現(xiàn)保持硬質(zhì)相含量不變，隨著鋼基體中的碳含量在0.34%～2.66%之間變化，鋼結(jié)硬質(zhì)合金的硬度在54～71 HRC之間變化，說明硬度還與鋼基體類型及合金元素含量有關(guān)。此外，恰當(dāng)?shù)臒崽幚砟芴岣卟牧系挠捕?，機(jī)理是馬氏體強(qiáng)化。

一般而言，合金的耐磨性取決于其硬度，但耐磨性并非與硬度呈線性關(guān)系，影響耐磨性的因素很多，而這些因素又是相互關(guān)聯(lián)的。ZHOU等[17]認(rèn)為鋼結(jié)硬質(zhì)合金的耐磨性與硬質(zhì)相的含量成正比，直到橋接相的出現(xiàn)；此外，硬質(zhì)相顆粒越圓整、越細(xì)小、分布越均勻，對合金的耐磨性越有利。PAGOUNIS等[18]認(rèn)為與珠光體組織相比，高硬度的馬氏體組織對硬質(zhì)相有更好的支撐作用，從而提高材料的抗粘著磨損和抗疲勞磨損能力。鋼基體和硬質(zhì)相不同的熱膨脹系數(shù)會使得材料內(nèi)部存在張應(yīng)力，這種張應(yīng)力可促進(jìn)馬氏體的轉(zhuǎn)變，減少殘余奧氏體數(shù)量，從而提高材料的耐磨性。殘余奧氏體含量與耐磨性之間的關(guān)系如圖3所示。此外，杜曉東等[19]認(rèn)為鋼結(jié)硬質(zhì)合金的耐磨性與沖擊韌性成正比例關(guān)系，耐磨性隨沖擊韌性改善而提高。因此，提高材料的沖擊韌性，能有效提高材料在重載滑動摩擦條件下的耐磨性。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金常被用來制造切削刀具、破碎錘頭等，足夠的強(qiáng)韌性是這些工具不易斷裂失效的重要保證。影響強(qiáng)韌性的主要因素有界面潤濕性、致密度和微觀組織結(jié)構(gòu)等。范安平等[20]認(rèn)為相比于單一硬質(zhì)相，復(fù)合型硬質(zhì)相能更有效提高鋼結(jié)硬質(zhì)合金的強(qiáng)韌性。BANDYOPADHYAY等[21]認(rèn)為硬質(zhì)相和鋼基體的界面容易裂紋形核，而裂紋沿著晶界擴(kuò)展導(dǎo)致材料突變失效。添加納米顆粒到鋼結(jié)硬質(zhì)合金中，納米顆粒分布于晶界上，對位錯有很好的釘扎作用，可使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、繞道，從而消耗裂紋前進(jìn)的能量。當(dāng)材料受到拉伸作用時(shí)，高彈性模量的納米粒子阻止材料橫截面上的收縮，要得到同樣的收縮量，則需要更大的拉應(yīng)力，耗費(fèi)更多能量，從而起到增加強(qiáng)韌性的作用[22]。張志恒等[23]通過預(yù)合金粉末、優(yōu)化球磨、鍛造，熱處理等工藝獲得高強(qiáng)韌性的鋼結(jié)硬質(zhì)合金，抗彎強(qiáng)度達(dá)到3 086 MPa，沖擊韌性為27.6 J/cm2，其認(rèn)為鋼結(jié)硬質(zhì)合金具有高強(qiáng)韌性的理論依據(jù)是微觀組織的球化，包括孔隙球化和WC硬質(zhì)相顆粒的球化。

圖3 鋼結(jié)硬質(zhì)合金的耐磨性、殘余奧氏體含量隨TiC含量的變化[18]Fig.3 Wear resistance and the volume fraction of retained austenite RA vs fine TiC volume fraction

2 制備工藝及其研究進(jìn)展

2.1 粉末冶金法

粉末冶金法是鋼結(jié)硬質(zhì)合金生產(chǎn)常用的方法，但該方法存在局限性，如鋼基體粉末和硬質(zhì)相顆粒難以混合均勻，硬質(zhì)相分布不均勻，增強(qiáng)顆粒與鋼基體的界面結(jié)合強(qiáng)度不高，產(chǎn)品存在孔隙、偏析、疏松、橋接相等組織缺陷。近年來，研究者們對粉末冶金工藝進(jìn)行了大量的探索和改進(jìn)。

2.1.1 高能球磨

高能球磨又稱機(jī)械合金化，通過磨球?qū)旌狭线M(jìn)行高能量撞擊，使顆粒細(xì)化，獲得微觀體積范圍內(nèi)均質(zhì)的混合物，同時(shí)使組元之間發(fā)生機(jī)械合金化反應(yīng)，促進(jìn)燒結(jié)進(jìn)程，改善組織。熊擁軍等[24]用行星式球磨機(jī)替換傳統(tǒng)的球磨機(jī)進(jìn)行混料，高能球磨過程中產(chǎn)生大量的空位、位錯，并為原子擴(kuò)散提供通道，從而促進(jìn)各組元之間的合金化。而且通過高能球磨能降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間，降低孔隙度，燒結(jié)體更致密。與傳統(tǒng)球磨相比，通過高能球磨，鋼結(jié)硬質(zhì)合金的密度、硬度和抗彎強(qiáng)度均大幅提高。LIU等[25]應(yīng)用高能球磨、真空燒結(jié)的方法成功制備TiC/M2高速鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金，高能球磨20 h的混合粉末晶粒度最小，粒度分布集中，形狀較規(guī)則，部分組分產(chǎn)生機(jī)械合金化反應(yīng)，界面結(jié)合強(qiáng)度提高，促進(jìn)了燒結(jié)過程，材料性能得到改善。

2.1.2 熱等靜壓

在國外，熱等靜壓(hot isostatic press, HIP)已廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)硬質(zhì)合金的生產(chǎn)。德國Seilstofer公司的“TiC ALLOY”和Thyssen公司的“FERRO-TITANIT”牌號鋼結(jié)硬質(zhì)合金均是用熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)的[26]。熱等靜壓可強(qiáng)化壓制與燒結(jié)過程，合金的組織更均勻致密，斷裂韌性和強(qiáng)度提高。熊擁軍等[27]在傳統(tǒng)的真空燒結(jié)后再進(jìn)行HIP，材料的孔隙度降低38%，密度提高2%，硬度提高14.9%，抗彎強(qiáng)度提高34.4%，綜合性能明顯提升。但真空燒結(jié)和熱等靜壓兩道工序分別在兩臺設(shè)備上完成，能耗大，周期長，成本高。燒結(jié)?HIP法[28]將脫蠟、預(yù)燒、燒結(jié)和熱等靜壓合并在同一設(shè)備上進(jìn)行，成本降低，能耗減少，且材料性能較真空燒結(jié)后再HIP的更優(yōu)越，發(fā)展前景廣闊。

2.2 電冶熔鑄法

電冶熔鑄法(又稱電冶法)工藝流程如圖4所示。電冶熔鑄過程既是鑄造過程，又是提純精煉過程，能獲得高純度的鋼基體，產(chǎn)品的組織均勻致密、無明顯碳化物偏聚；可生產(chǎn)大中型零部件；且工藝簡單，成本低廉[29]。黃曼平等[30]將WC粉和廢棄的GCr15軸承鋼粉作為原料，在中頻感應(yīng)電爐中用普通鑄造法制成自耗電極，再將該電極放置于單臂梁立式電渣爐中制成WC鋼結(jié)硬質(zhì)合金。在1 750 ℃的電冶工藝條件下，WC顆粒局部溶解，棱角鈍化，減少了材料在工況下硬質(zhì)相與基體界面處的應(yīng)力集中。同時(shí)，界面處的W和Fe的濃度梯度存在過渡區(qū)(細(xì)小分散的Fe3W3C)，而不是成分突變，改善了WC顆粒與鋼基體之間的物理相容性，減小因兩者彈性模量與熱膨脹系數(shù)差異而引起的熱應(yīng)力，材料得到強(qiáng)化。由于電冶鋼結(jié)合金的界面為冶金結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度高，界面處難以產(chǎn)生裂紋，疲勞裂紋一般出現(xiàn)在承受高應(yīng)力的WC晶粒內(nèi)部，故材料的耐磨性能顯著提高。

圖4 電冶熔鑄工藝流程圖Fig.4 Process chart of electric melting and casting

吳玉增[31]以GCr15軸承鋼、中碳鉻鉬鋼、40%WC粉(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為原料，用電冶法制造鋼結(jié)硬質(zhì)合金軋輥，產(chǎn)品致密度高，強(qiáng)韌性好，WC顆粒在基體中分布均勻，無碳化橋接相，有界面過渡層，硬度由表及里呈梯度遞減分布，外硬里韌。實(shí)踐表明，電冶法生產(chǎn)的軋輥使用壽命為GCr15軸承鋼壽命的10倍左右，比Cr12MoV鋼提高8倍以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.3 自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法(self-propagating high-temperature synthesis, SHS)制備鋼結(jié)硬質(zhì)合金，具有工藝簡單、周期短、界面干凈和界面結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。FAN等[32]認(rèn)為以Fe粉、Ti粉、C為原料自蔓延高溫合成TiC-Fe復(fù)合材料的反應(yīng)機(jī)理是三元反應(yīng)擴(kuò)散/溶解?析出模型。該反應(yīng)具有異步性和不完全性，異步性是因?yàn)門i的擴(kuò)散速率大于Fe的擴(kuò)散速率，Ti原子優(yōu)先與C反應(yīng)；而不完全性則是因?yàn)榇诸w粒的鐵粉或鈦粉降低了擴(kuò)散速率，致使殘余相TiFe2產(chǎn)生。SAIDI等[33]研究認(rèn)為只有在較高升溫速率下，反應(yīng)才能自動持續(xù)下去；燃燒合成反應(yīng)的引燃溫度是由Fe-Ti系統(tǒng)的共晶溫度所決定的。隨著系統(tǒng)中鐵含量增加和反應(yīng)物粒度減小，引燃溫度降低。

SHS法存在反應(yīng)不易控制，產(chǎn)品孔隙較多、致密度不高等問題。張衛(wèi)方等[34]采用自蔓延高溫合成結(jié)合準(zhǔn)等靜壓的方法，即SHS/PHIP法，通過計(jì)算機(jī)控制，成功地制備出高致密度的TiC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金，當(dāng)延時(shí)時(shí)間為2 s，加壓壓力為160 MPa，加壓時(shí)間為20 s時(shí)，材料的致密度高達(dá)99.4%，幾乎完全致密。KHOLGHY等[35]以FeTiO3、B4C和Al為原料，用SHS/PHIP法制備Al2O3/TiB2/TiC復(fù)合硬質(zhì)相基鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料，燃燒波的傳播速率為1 cm/s，燃燒溫度為2 000 ℃，材料的致密度約達(dá)93%，密度僅為3.93 g/cm3，硬度高達(dá)1 500 HV，可用來制作防彈衣等。

2.4 粉末冶金原位合成法

傳統(tǒng)粉末冶金法中硬質(zhì)相以外加方式引入，原料成本高，潤濕性不良，界面易污染，材料無法達(dá)到理想的使用要求。粉末冶金原位合成法通過碳熱還原反應(yīng)原位合成硬質(zhì)相，可減少制粉成本，簡化制備工藝，并提高界面結(jié)合強(qiáng)度，已成為國內(nèi)外研究鋼結(jié)硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝的新趨勢。BROWN[36]用FeTiO3和C制備TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的碳熱還原反應(yīng)熱力學(xué)模型，總反應(yīng)式為：FeTiO3+4C→Fe+TiC+3CO，該反應(yīng)并非一步完成，而是先轉(zhuǎn)變成Fe和TiO2，隨后TiO2被還原成TinO2n?1(10≥n≥4)，即所謂的Magneli相，經(jīng)歷24個(gè)不同的中間相后，最終還原成TiC。這個(gè)模型有助于更好地理解和分析工藝參數(shù)對致密化和性能的影響，如反應(yīng)系統(tǒng)中CO分壓對反應(yīng)方向的影響。張勇等[37]以鎢鐵粉，純鈦粉、純鐵粉、石墨粉等為原料，用碳熱還原法、真空燒結(jié)制備了(Ti, W)C鋼結(jié)硬質(zhì)合金，通過原位反應(yīng)內(nèi)生成硬質(zhì)相，避免了硬質(zhì)相與鋼基體的潤濕性差的問題，得到高硬度、粒徑不到1 μm的球狀(Ti, W)C顆粒，材料耐磨性為高鉻鑄鐵的5～6倍，是低成本合成高性能鋼結(jié)硬質(zhì)合金的典范。

2.5 原位反應(yīng)鑄造法

RHIMIPOUR等[38]將鑄鐵、鐵鈦合金放入以氬氣為保護(hù)氣體、帶有離心裝置的感應(yīng)電爐中，1 550 ℃熔化，原位鑄造合成TiC鋼結(jié)梯度硬質(zhì)合金，其組織特點(diǎn)為TiC顆粒彌散地梯度分布在珠光體中，從中心貧TiC區(qū)到表面富TiC區(qū)，顯微硬度由390 HV增加到605 HV。蘇廣才等[39]以45鋼、鈦鐵、生鐵等為原料，用中頻電爐熔煉合金，然后向鐵液中加入含氮附加物，原位反應(yīng)鑄造制成Ti(C,N)鋼結(jié)硬質(zhì)合金。材料的組織由粒狀珠光體和均勻分布的Ti(C,N)硬質(zhì)相顆粒組成，基體與硬質(zhì)相結(jié)合良好，界面干凈，材料具有良好的綜合力學(xué)性能。由于硬質(zhì)相顆粒與鋼基體密度相差較大，原位生成的增強(qiáng)顆粒在凝固過程中趨于漂浮狀態(tài)，造成鑄造過程中的偏析現(xiàn)象。為解決此問題，可參考潘衛(wèi)東等[10]采用Fe+2.264%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Ti+8.692%W+1.132%C為原料，充分混合后，在270 MPa壓力下壓制成塊，在非自耗電弧爐中制得成分均勻的(Ti,W)C鋼結(jié)硬質(zhì)合金，(Ti,W)C的密度與鋼基體密度接近，能有效減少偏析現(xiàn)象。

3 鍛造與熱處理

粉末冶金法制成的鋼結(jié)硬質(zhì)合金存在偏析、夾雜、疏松、孔隙等組織缺陷，且硬質(zhì)相分布不均，易形成橋接相，極大地影響材料性能。鍛造和熱處理是改善鋼結(jié)硬質(zhì)合金的組織，提高使用壽命非常重要的工藝手段。鋼結(jié)硬質(zhì)合金在鍛造過程中鋼基體產(chǎn)生塑性變形，“橋接”的硬質(zhì)相和復(fù)式碳化物被擊碎，并隨鋼基體的塑性流動而改變分布狀況，使硬質(zhì)相晶粒細(xì)化、形狀規(guī)則，均勻彌散分布于鋼基體中，合金的致密度增加，組織缺陷得到改善，從而提高材料的強(qiáng)韌性，橫向斷裂性能的改善尤為突出。鋼結(jié)硬質(zhì)合金中存在較高含量的硬質(zhì)相顆粒，塑性較差，且燒結(jié)組織存在缺陷，應(yīng)嚴(yán)格控制鍛造工藝，避免合金開裂報(bào)廢。與自由鍛造相比，采用鍛模鍛造時(shí)，合金受到的是多向應(yīng)力，對抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展具有明顯效果，可極大地提高鍛造的成功率[40]。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金熱處理相變主要是鋼基體的相變，但硬質(zhì)相與粘結(jié)相在燒結(jié)和熱處理過程中的相互溶解與析出，會導(dǎo)致鋼基體原配方的化學(xué)成分發(fā)生改變。硬質(zhì)相在鋼基體中溶解，提高了相變溫度，并使共析點(diǎn)向低碳方向移動；且硬質(zhì)相的分解導(dǎo)致鋼基體中碳含量增加，原為亞共析鋼的鋼基體在熱處理后可能變成共析鋼甚至過共析鋼，出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體，硬度高，難加工，韌性差，淬火易產(chǎn)生變形或開裂，這也是鋼結(jié)硬質(zhì)合金只能采用球化退火的原因[41]。彌散分布在鋼基體中的硬質(zhì)相顆粒阻礙奧氏體晶粒長大，抑制材料變形，使鋼結(jié)硬質(zhì)合金具有過熱敏感性小、淬火變形量極小的特點(diǎn)。因此，淬火奧氏體化溫度可適當(dāng)提高，保溫時(shí)間也可適當(dāng)延長。

GONZáLEZ[42]對WC鋼結(jié)硬質(zhì)合金進(jìn)行等溫淬火后，材料的沖擊韌性提高50%，而硬度僅降低約2%，且顯微裂紋減少，這是因?yàn)榈葴責(zé)崽幚碚T發(fā)奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變，而非向馬氏體轉(zhuǎn)變。因此，在保證硬度的前提下，應(yīng)盡量提高等溫淬火溫度，提高材料的韌性和耐磨性。龔偉等[43]對低合金鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金進(jìn)行熱處理，發(fā)現(xiàn)500 ℃回火時(shí)有二次硬化現(xiàn)象出現(xiàn)。其機(jī)理是：回火時(shí)基體中有細(xì)小彌散的碳化物(Fe,Cr)7C3析出，引起彌散強(qiáng)化；同時(shí)，(Fe,Cr)7C3的析出造成殘余奧氏體中碳和其它合金元素含量降低，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms升高，促使部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，從而使得合金的硬度提高。

4 表面強(qiáng)化處理

4.1 滲硼處理

張焱等[44]對DGJW40鋼結(jié)硬質(zhì)合金進(jìn)行固體粉末滲硼后，合金表面獲得含有(Fe,W)B和(Fe,W)2B的高硬度、高耐磨的雙相硼化物滲硼層, 且隨滲硼時(shí)間延長，滲硼層厚度和表面硬度增加。WC阻礙硼化物的生長，當(dāng)硼化物遇到硬質(zhì)相顆粒時(shí)會繞行，且硬質(zhì)相顆粒越多，形狀越復(fù)雜，對硼的擴(kuò)散阻礙越大，滲硼層也越淺。將稀土元素加入滲硼劑中，能極大地提高滲硼速率并改善表層滲硼組織，起到微合金化的作用。滲硼物不僅為材料表面帶來高硬度、高耐磨性和耐熱性，還填充了組織孔隙，提高材料的致密度，而且滲硼體與基體結(jié)合緊密，不易脫落。在相同工況下，經(jīng)滲硼處理的模具使用壽命比未滲硼的模具高十幾倍[45]。

4.2 硼?硫復(fù)合滲

硼?硫復(fù)合滲即在滲硼處理后，再進(jìn)行液態(tài)滲硫。王榮濱等[46]對鋼結(jié)硬質(zhì)合金模具表面進(jìn)行硼?硫復(fù)合滲處理，滲硫介質(zhì)為95%S+5%MoS2，滲硫溫度為180 ℃，保溫6～8 h。該工藝不僅使材料表面擁有高硬度、高紅硬性和高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，還能提高裂紋擴(kuò)散所需的阻力，阻止硬質(zhì)相脫落，而且硫化物有良好的潤滑性，能降低摩擦因數(shù)，抗粘結(jié)性好。與滲硼處理相比，硼?硫復(fù)合滲只增加一個(gè)滲硫工藝，材料性能卻大幅提升，使用壽命提高50%～70%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 激光熔覆

激光熔覆能實(shí)現(xiàn)快速熔化和快速冷卻，表面冷卻速率比鑄造高3個(gè)數(shù)量級，元素來不及擴(kuò)散，凝固時(shí)相變處于不平衡狀態(tài)，這些因素使得材料表面完全致密化，硬質(zhì)相與鋼基體的界面結(jié)合更緊密，從而提高材料的硬度，耐磨性和抗疲勞性等[47]。KRUTH[48]認(rèn)為激光重熔改善材料性能的機(jī)制是結(jié)構(gòu)精修、過飽和固溶體、沉淀強(qiáng)化和界面結(jié)合強(qiáng)化。YOU等[49]的研究表明，鋼結(jié)硬質(zhì)合金經(jīng)激光重熔后，表面重熔層分為熔凝區(qū)、過渡區(qū)和熱影響區(qū)。激光掃描速率和預(yù)熱溫度影響熔深和碳化物在熔區(qū)的溶解。

5 展望

鋼結(jié)硬質(zhì)合金價(jià)格不及普通硬質(zhì)合金的一半，使用壽命卻是鋼的幾倍，幾十倍，甚至幾百倍，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。將鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料應(yīng)用于航空和汽車工業(yè)領(lǐng)域是近年來材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。各發(fā)達(dá)工業(yè)國家都非常重視鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料的研制，發(fā)展迅速。我國也取得了一定成績，但產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，缺乏市場競爭力，難以創(chuàng)造出有知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性成果。為縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，我們在學(xué)習(xí)和吸收國外先進(jìn)技術(shù)同時(shí)，應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：

1) 注重理論研究。涉及合金材料本質(zhì)的問題迫切需要更為成熟的理論指導(dǎo)，如硬質(zhì)相與基體界面結(jié)構(gòu)及相界面動力學(xué)過程的研究、燒結(jié)過程致密化、物質(zhì)遷移的控制規(guī)律等。

2) 探索優(yōu)質(zhì)鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備技術(shù)，研究工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，建立健全產(chǎn)品質(zhì)量管理控制體系，最大程度地挖掘鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料的潛力。

3) 開發(fā)超細(xì)和納米鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料，改善納米材料燒結(jié)工藝，加強(qiáng)對納米粉末、納米合金分析檢測技術(shù)的研究。

4) 加快研究廢舊鋼結(jié)硬質(zhì)合金的回收和循環(huán)利用，以免造成不必要的資源浪費(fèi)。

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