钻头、钻具、仪器租赁，以及钻井⼀体化提速服务

WC的性能及其对硬质合金性能的影响（2）

发布时间：

2025-11-10 11:02

来源：

1.1.2粒度分布的要求
除了平均粒度，粒度的分布宽度同样至关重要。硬质合金生产通常要求WC粉末的粒度分布尽可能窄而均匀。

均匀性：均匀的WC颗粒有助于在混合料中实现均匀分布，压制后得到的压坯密度均匀，从而确保烧结过程中各处收缩一致，避免产生变形、开裂等缺陷。
窄分布：窄的粒度分布意味着粉末中过粗和过细的颗粒都很少。过粗的WC颗粒在烧结后可能成为合金组织中的“异常长大晶粒”，这种晶粒是材料内部的结构缺陷，会成为裂纹源，显著降低合金的抗弯强度和疲劳寿命。而过细的粉末虽然活性高、易于烧结，但比表面积大，容易吸附氧，导致后续工艺控制困难；同时，过细的颗粒在烧结液相中溶解-沉淀速度快，也是导致晶粒异常长大的一个诱因。因此，控制WC粉末具有集中的粒度分布，是获得组织均匀、性能稳定的硬质合金的前提。

1.1.3 控制与评述
对WC粒度的要求本质上是对硬质合金“硬度-韧性”这一核心矛盾进行调控的体现。在实际生产中，并没有一个绝对的“最佳”粒度，而是需要根据产品的具体应用场景和性能侧重，选择最合适的WC粒度等级，并通过精细的工艺控制，确保其分布的均匀性和稳定性。测量方法上，除了传统的费氏法，现代分析技术如激光衍射粒度分析、扫描电子显微镜（SEM）图像分析（遵循ASTME112线性截距法等标准）和电子背散射衍射（EBSD）技术，为精确表征和控制WC粒度及其分布提供了强有力的工具。

1.2 硬质合金对WC总碳、游离碳和化合碳的要求
碳含量是WC粉末乃至整个硬质合金体系中最为敏感和关键的化学指标。它直接决定了烧结后合金的相组成，从而对性能产生决定性影响。在讨论WC的碳含量时，必须区分三个概念：总碳、游离碳和化合碳。

化合碳：指与钨形成化学键、构成WC晶格的碳。理论上，化学计量比的WC的化合碳含量为6.13%（质量分数）。
游离碳：指以石墨形式存在的、未与钨化合的碳。
总碳：是化合碳与游离碳之和。

1.2.1 对化合碳的要求
硬质合金生产对WC粉末的化合碳含量要求极其严格，通常要求其尽可能接近理论化学计量比的6.13%。这是因为WC-Co合金的性能在一个非常窄的“碳窗”或“两相区”内才能达到最优。

缺碳：如果WC的化合碳低于6.13%，即存在碳空位，这种WC在与钴烧结时，会由于整个体系碳势较低，导致形成一种或多种脆性的三元W-Co-C化合物，即所谓的η相。η相的化学式通常为M₆C或M₁₂C型，如Co₃W₃C、Co₆W₆C等。η相的硬度极高，但韧性极差，它的出现会像陶瓷夹杂物一样严重割裂粘结相的连续性，成为裂纹的策源地，导致合金的抗弯强度和断裂韧性急剧下降。因此，在硬质合金生产中，必须严格避免η相的形成。
富碳：如果WC的化合碳略高于6.13%，即晶格中可能存在间隙碳原子或形成了少量更高级的碳化物如W₂C（尽管W₂C通常在缺碳条件下更稳定，但在特定非平衡过程中也可能出现）。更常见的情况是，当整个合金体系的碳势过高时，多余的碳会在烧结冷却过程中以石墨的形式析出。石墨相质地柔软，强度极低，其片状或团絮状形态在合金中会产生类似孔隙的效应，造成严重的应力集中，同样会显著降低合金的强度、硬度和耐磨性。

因此，理想的WC原料应具有精确的化合碳含量，以确保最终合金的组织为WC硬质相和γ-Co粘结相构成的简单两相结构。

1.2.2对游离碳的要求
游离碳是WC粉末生产过程中未能完全反应或因歧化反应产生的石墨。它对硬质合金的危害与富碳导致的石墨析出类似。因此，对WC原料粉末中游离碳的含量要求是严格限制，通常要求低于0.05%甚至更低。过高的游离碳不仅会直接影响合金性能，还会给生产过程的碳平衡控制带来巨大的不确定性。

1.2.3对总碳的控制与评述
在实际生产中，控制的是总碳含量。由于WC粉末在储存和运输中表面不可避免地会轻微氧化，形成WO₃等氧化物，这些氧化物在烧结的碳还原阶段会消耗碳。此外，粘结剂钴粉本身也可能含有少量氧化物。为了补偿这部分碳的损失，并使烧结后的合金处于理想的碳平衡状态，所用WC粉末的总碳含量通常需要略高于理论值6.13%，这个“增碳量”需要根据后续工艺（如添加剂、烧结气氛的碳势等）精确计算和调整。

总而言之，对WC碳含量的要求是硬质合金生产技术的核心。它要求对WC原料的总碳和游离碳进行精确的化学分析，并基于对整个生产链中所有影响碳平衡因素的深刻理解，来设定一个最佳的碳含量范围。这种控制的精确度，直接决定了硬质合金产品的质量和性能稳定性。

1.3 硬质合金对WC纯度及其组织缺陷的要求
除了粒度和碳含量，WC粉末的化学纯度和物理完整性也是不容忽视的重要指标。

1.3.1 化学纯度的要求
硬质合金对WC原料的纯度要求很高，需要严格控制各种有害杂质元素的含量。

碱金属（Na，K）：这些元素在烧结温度下会形成低熔点化合物，可能导致局部异常液相的出现，是促进WC晶粒异常长大的重要原因。
铁（Fe）、硅（Si）、铝（Al）、钙（Ca）等：这些元素可能以氧化物或硅酸盐的形式存在。它们在烧结过程中可能不被还原，最终以硬脆夹杂物的形式残留在合金中，成为材料的薄弱环节，降低其强度和韧性。特别是铁，有研究表明，铁含量的增加可能会促进η相的形成。
氧（O）：如前所述，氧含量直接关系到烧结过程中的碳平衡，过高的氧含量意味着需要补偿更多的碳，增加了工艺控制的难度和不确定性。
其他有害元素（如硫S，磷P）：这些元素会严重脆化粘结相，必须严格控制在极低的水平。

另一方面，某些元素的微量添加则是有益的。例如，前面提到的VC、Cr₃C₂、TaC、NbC等，作为晶粒生长抑制剂和固溶强化元素，是根据需要主动添加的。一份对钨铸锭的纯度分析显示，其中可能含有钛、钽、铌等元素，这些元素在后续制备WC时，如果控制得当，可以转化为有益的碳化物。

1.3.2组织缺陷的要求
理想的WC粉末颗粒应是结晶完整、无内部缺陷的单晶或致密多晶聚集体。

孔隙：WC粉末颗粒内部的孔隙会降低其表观密度，并在合金压制和烧结过程中成为缺陷源。
微裂纹：在WC粉末制备或机械处理（如球磨）过程中可能引入的微裂纹，会降低颗粒自身的强度，影响最终合金的性能。
假颗粒：由许多细小颗粒通过弱结合力形成的疏松团聚体，被称为“假颗粒”。它们在混合和压制过程中容易破碎，导致局部成分和结构不均匀，是生产高品质硬质合金时需要极力避免的。