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WC的性能及其对硬质合金性能的影响（1）

发布时间：

2025-11-10 10:55

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硬质合金，又称钨钢，是一种以高熔点金属碳化物（主要是碳化钨WC）为硬质相，以过渡族金属（主要是钴Co、镍Ni或铁Fe）及其合金为粘结相，通过粉末冶金工艺制备而成的一种复合材料。自20世纪20年代被发明以来，硬质合金凭借其远超高速钢的高硬度、优异的耐磨性、“红硬性”（高温下保持高硬度的能力）以及良好的化学稳定性，在现代工业中扮演着不可或预估的重要角色，被誉为“工业的牙齿”。其应用领域覆盖了金属切削加工（刀具、刀片）、地质矿山开采（钻头、截齿）、模具制造（拉伸模、冲压模）、耐磨零件以及结构部件等众多关键领域。

硬质合金的卓越性能本质上源于其独特的“类钢”复合结构：弥散分布的、极其坚硬的WC晶粒构成了材料的骨架，承担了主要的切削和耐磨功能；而具有良好韧性和塑性的金属粘结相则将这些硬质晶粒牢固地粘结在一起，不仅为材料提供了必要的强度和韧性，还能在受力时通过自身的塑性变形来缓解应力集中，从而抑制裂纹的萌生与扩展。这种硬质相与韧性相的巧妙结合，实现了硬度与韧性的优化匹配，这是单一材料难以企及的。

在这一复合体系中，碳化钨（WC）无疑是决定性因素。WC的性能不仅包括其本征的物理化学性质，更关键的是其作为原料粉末时的工艺性能，如颗粒的尺寸、形状、分布、化学成分（特别是碳含量）、纯净度以及内部的微观缺陷。这些看似细微的原料参数，在经历配料、混合、压制和烧结等一系列复杂的物理化学过程后，会被显著放大，最终直接或间接地影响硬质合金的微观组织结构（如WC晶粒的最终尺寸与形貌、粘结相的厚度与均匀性、是否存在第三方脆性相或石墨相、孔隙率等），并由此决定了合金的宏观性能，包括力学性能（硬度、耐磨性、强度、韧性）、物理性能（密度、磁性能、热导率）和化学性能（抗氧化、抗腐蚀性）。

因此，深入理解WC的各项性能指标，明确硬质合金生产对这些指标的具体要求，并系统研究这些指标的变化对最终合金性能的影响规律及其背后的冶金学和材料科学机理，对于指导高品质WC原料粉末的生产、优化硬质合金的成分设计与工艺控制、开发新型高性能硬质合金材料具有至关重要的理论价值和现实意义。本文将围绕这一核心议题，结合现有研究成果对上述内容进行系统、全面且深入的阐述。

1.WC的特性和硬质合金对WC性能的主要要求及评述
碳化钨（WC）是一种由钨和碳元素组成的金属陶瓷化合物，具有六方晶体结构（α-WC）。其最显著的特性是极高的硬度，显微硬度可达2200-2500HV，仅次于金刚石和立方氮化硼，这使其成为理想的耐磨材料。同时，WC还具有非常高的熔点（约2870°C）、高弹性模量（约700GPa）、良好的导电性和导热性以及优异的化学稳定性，在酸碱介质中表现出良好的抗腐蚀能力。这些本征特性奠定了WC作为硬质合金核心骨架的基础。然而，对于硬质合金制造商而言，WC原料粉末的工艺性能远比其本征性能更为关键。生产实践和大量研究表明，硬质合金的最终性能高度依赖于所用WC粉末的晶粒度、碳含量、纯度和组织缺陷这四大核心指标。

1.1 硬质合金对WC粒度及其分布的要求

WC粉末的粒度（通常指其晶粒尺寸，业界也有用Fsss粒度表征，但此处不列出，实际目前也没有一个统一的标准）及其分布是影响硬质合金性能的最关键因素之一。它不仅直接决定了合金中硬质相的晶粒大小，还深刻影响着烧结过程的动力学以及最终的微观结构和力学性能。

1.1.1粒度级别的划分与应用导向
根据WC粉末的平均粒度，工业上将其划分为不同的等级，以适应不同性能要求的硬质合金产品（实际粉末生产厂商并不是这么分的）：