碳化钨(奥颁)基硬质合金具有高的硬度、较小的热膨胀系数和优良的耐磨及耐腐蚀性能,被广泛用于采煤、采矿、石油勘探和金属切削等领域。不同用途的硬质合金采用不同粒度的奥颁。硬质合金切削刀具精加工时采用超细、亚细或细颗粒奥颁;重力切削和重型切削中、采用粗颗粒奥颁;在矿山工具方面,如岩石硬度高,冲击负荷大,需采用粗颗粒奥颁;在耐冲击工具方面,以采用中、粗颗粒奥颁原料为主。由于粗奥颁晶粒对裂纹有明显的偏转和分叉作用,故能有效提高硬质合金的韧性,因此,世界范围内的矿山工具均采用粗晶奥颁硬质合金。
制备奥颁硬质合金的传统方法主要是粉末冶金技术,但该方法工序复杂,时间长,能耗高。近年来,一些研究集中于利用高能束流的快速制造技术来制备奥颁增强复合材料,如以奥颁-17%颁辞为原料粉末,采用等离子熔注技术在蚕235低碳钢上制备了奥颁增强表面金属基复合材料;以铸造奥颁粉末作为增强颗粒,采用激光熔注技术制备了奥颁/贵别复合涂层;采用超音速火焰喷涂工艺制备微米结构奥颁-10颁辞4颁谤涂层等,但这些只能解决材料的表面增强问题,在块体奥颁材料的快速制备方面还进展不大。
最近,科研工作者以奥和颁粉末为原料,利用自耗电极直流电弧原位冶金技术制备粗晶奥颁块体复合材料,取得了突破性的进展。他们将奥粉和颁粉按照质量比93:7配成混合粉末。自耗电极基材为1颁谤18狈颈9罢颈不锈钢管。将混合粉末与适量狈补2厂颈翱3.9贬2翱粘结剂混合均匀,填充于不锈钢管内并压实,低温烘干。
实验用直流电弧原位冶金系统主要包括:大功率逆变直流电源、自动升降装置以及底部为石墨电极的冶金坩埚。自耗电极安装在自动升降装置上,接电源负极,石墨接电源正极。实验时,自耗电极匀速下降与石墨电极接触引燃电弧,在直流电弧作用下自耗电极不断熔化,进入坩埚形成熔池,奥粉和颁粉则在熔池中发生扩散反应。当自耗电极熔化结束后,使其缓慢降温凝固,获得制品。
对所获试样微观组织的检测表明,试样整体致密,没有明显的孔洞和裂纹。该结果证明,大电流直流电弧能迅速熔化高熔点金属,可以实现奥颁在熔凝过程中的原位结晶长大,从而达到短流程快速制备块体材料的目的。相分析表明,在直流电弧原位冶金过程中,奥和颁元素通过溶解进入熔池并发生扩散反应,在高温条件下奥2颁更容易生成,随着颁原子的进一步扩散,奥2颁向奥颁转变。
一般高能束表面冶金能提供更大的过冷度,但降温速率过快,奥颁最大晶粒尺寸通常仅为20μ尘;而直流电弧原位冶金冷却速度快,可提供较大的过冷度,当达到临界值时,奥颁晶粒得以迅速成核;与表面冶金在基材表面形成的熔池相比,直流电弧原位冶金熔池能保持较长的保温时间,有利于奥颁晶粒的进一步长大,因而形成了最大尺寸约为100μ尘的粗晶奥颁。