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WC的性能及其对硬质合金性能的影响（3）
发布时间：
2025-11-12 15:15
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3.WC碳含量的变化对硬质合金相成分、晶粒度和性能等的影响
在硬质合金生产中，碳含量的控制被认为其重要性无与伦比。整个合金体系中微小的碳含量波动（甚至0.01%级别），都可能导致相组成、微观结构和最终性能的巨大差异。这种敏感性源于碳在高温烧结过程中对W-C-Co三元体系。
3.1合金中WC碳含量的变化对硬质合金相成分的影响
要理解碳含量的影响，首先必须借助W-C-Co三元相图，它是分析和预测硬质合金在不同温度和成分下相平衡关系的理论基础。
3.1.1W-C-Co状态图和合金相成分
W-C-Co三元相图相当复杂，但对于典型的硬质合金成分（通常Co含量在3-30%），我们主要关注其等温截面图，特别是烧结温度（~1400°C）附近的相区（1200℃、1425℃）。
在一个典型的W-C-Co等温截面上，存在三个关键的相区：
(WC+γ)两相区：这是生产合格硬质合金的目标相区。在此区域内，合金由硬质相WC和液相（在烧结温度下）或固化的γ-Co固溶体粘结相组成。这个区域对应一个特定的碳含量范围，即所谓的“碳窗”或“安全碳区”。处于此区间的合金具有最佳的综合力学性能。
(WC+γ+C)三相区：位于两相区的富碳侧。当合金的总碳含量过高，超出了W和Co在烧结温度下所能固溶的极限时，多余的碳就会以游离石墨的形式析出。这种石墨相的出现会严重损害合金性能。
(WC+γ+η)三相区：位于两相区的缺碳侧。当合金的总碳含量不足时，体系为了达到新的化学平衡，会发生反应，一部分WC和Co会转变为W-Co-C三元复合碳化物，即η相。η相的出现同样是生产中需要极力避免的。
因此，碳含量的首要作用就是决定了合金最终的相组成。精确地将合金的碳含量控制在狭窄的(WC+γ)两相区内，是获得高性能硬质合金的先决条件。
3.1.2WC-Co合金碳量允许波动范围 “碳窗”的宽度，即允许的碳含量波动范围，并非固定不变，它受到合金成分和烧结工艺的影响：
Co含量的影响：Co含量越高，碳窗通常越宽。这是因为Co作为溶剂，可以溶解一定量的W和C，对碳含量的波动有一定的缓冲能力。高Co合金对碳含量的敏感性相对较低。
添加剂的影响：添加其他碳化物（如TiC，TaC，NbC）会使相图变得更加复杂，并通常会使碳窗变窄。这些碳化物会与W、Co、C发生复杂的相互作用，使得碳平衡的控制更具挑战性。
温度的影响：烧结温度越高，各元素在液相中的溶解度越大，相区的边界也会发生移动，通常碳窗会略有变化。
在实际生产中，这个允许的波动范围可能非常窄，有时仅为±0.05wt%。这意味着从WC原料、Co粉、回收料，到后续的球磨、压制、烧结气氛等每一个环节，都必须对碳的引入和损耗进行精确的计算和控制。
3.1.3η相的种类
η相并非单一的化合物，而是一类成分和结构复杂的W-Co-C三元碳化物的总称。根据W、Co、C的原子比例和晶体结构，η相主要分为两大类：
M₆C型(fcc结构)：这类η相的金属原子（M代表W和Co）与碳原子的比例为6:1，具有面心立方（fcc）结构。其化学式可以写作(W，Co)₆C，常见的例子有Co₃W₃C或Co₂W₄C。这类η相通常在碳亏损程度相对较轻的情况下形成。
M₁₂C型(六方结构)：这类η相的金属原子与碳原子的比例为12:1，晶体结构更为复杂。其化学式可以写作(W，Co)₁₂C，例如Co₆W₆C。这类η相通常在碳亏损更严重的情况下出现。
此外，还有文献提到了如Co₃W₉C₄等其他成分的复杂碳化物。η相的形成不仅仅消耗了WC和Co，更重要的是，它以硬脆、通常呈块状或骸晶状的形态存在于合金中，破坏了粘结相的连续性，成为内部的巨大缺陷源，是导致合金韧性剧降的“罪魁祸首”。优化碳含量以防止脆性η相的形成，是保证微观结构完整性的关键。
3.2WC碳含量的变化对硬质合金钴相成分和晶型的影响
粘结相（通常称为γ相）并非纯钴，而是W和C在Co中的固溶体。合金的碳含量变化，会直接影响W和C在Co中的溶解度，从而改变粘结相的成分、结构和性能。
3.2.1Co相(γ相)成分
在烧结温度下，液态的钴会溶解相当数量的W和WC。溶解在钴相中的W和C的量，受到合金总碳含量的严格制约，遵循相图所示的平衡关系。
粘结相中W的含量是影响其性能的关键。溶解的W原子会引起Co晶格的畸变，产生固溶强化效应，从而提高粘结相自身的强度和硬度。但是，过高的W含量会使粘结相变脆，降低其韧性。因此，通过控制碳含量来调节粘结相中W的溶解量，是优化合金性能的重要手段。
via：“我的硬质合金生涯”-小周
成都天锐峡谷能源科技有限公司
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因此，要制造尺寸精度高、形状规整的硬质合金零件，不仅要保证整体碳含量在正确的范围内，还必须确保碳在整个零件体积内的分布是均匀的。这对于原料的均匀混合、压坯密度的均匀性以及烧结炉内气氛的稳定性都提出了极高的要求。
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