北工大《JAC》：提高WC-Co超粗晶硬质合金的耐磨性研究！

编辑推荐：硬质合金服役于复杂的冲击载荷和磨损条件，表现出典型的脆性断裂和过度磨损的失效机制，主要原因是粘结相的磨损缺失、WC晶粒的破碎、以及粘结相缺失后晶粒的掉落。这些损伤过程既取决于硬质合金的硬度，又取决于其抗断裂能力和显微疲劳。文章所制备的新型硬质合金，其摩擦系数和磨损率仅为普通YG类合金的72%和46%，分析机理发现高硬度的WCoB在界面上分布均匀，导致WC晶粒内部应力分布相对均匀，并支撑了磨损Co后的WC晶粒，降低了硬质合金在磨损过程中脆性断裂和WC晶粒掉落的概率。

WC-Co超粗硬质合金平均粒径大于5 μm，广泛应用于矿产开发、道路建设、隧道挖掘等工具领域。具有高断裂韧性和硬化粘结相的硬质合金可能具有更高的耐磨性，进而延长使用寿命。前者可以降低硬质合金的脆性断裂，后者可以减缓粘结相的磨损速度，从而保护WC晶粒不被破碎和掉落。WCoB是一种典型的三元硼化物，具有较高的热力学稳定性和极高的硬度。而WCoB的加入对涂层中WC晶粒长大抑制作用较小，可以制得添加少量WCoB的超粗硬质合金。

近日，北工大系统研究了不同WCoB添加量制备的超粗WC-Co硬质合金的磨损行为，提出了WCoB对超粗硬质合金耐磨性影响的机理。相关论文以题为“On the enhanced wear resistance of ultra-coarse WC-Co cemented carbides by WCoB addition”发表在Journal of Alloys and Compounds。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162449

研究表明WCoB本身具有较高的硬度，可以降低相邻WC晶粒的应力集中，形成结合强度较高的WCoB/WC和WCoB/Co界面，有利于提高硬质合金的韧性和断裂强度。

图1（a）三种硬质合金的相结构，（b，c）WC-1.0WCoB-8Co的扫描电镜显微照片以及A点和B点处的EDX结果，（d）硬质合金的硬度和TRS。

图2在100N下滑动操作60分钟后，不同WCoB添加的所制备的硬质合金的摩擦系数曲线（a）和磨损率（b）

图3 磨损轨迹的 3D 形态：（a） WC-8Co、（b） WC-0.2WCoB-8Co、（c） WC-1.0WCoB-8Co，以及（d）在 100N 下磨损 60 分钟的样品横截面

随着WCoB含量的增加，超粗硬质合金的摩擦因数和磨损率降低明显，磨损痕迹的宽度和深度都随着WCoB含量的增加而减小。WCoB含量为1.0%的硬质合金的摩擦因数为0.281，磨损率为0.77*10⁻⁶ mm³/N·m，分别为WC-8Co的72%和46%。 

 

图4WC-8Co （a1-a4）和WC-1.0WCoB-8Co （b1-b4）中典型区域在不同磨损阶段的X 方向局部应力分布

WCoB周围的WC在X方向上的局部应力都远低于Co周围的WC，WCoB的添加降低了应力集中，使应力分布均匀，可以减少裂纹的萌生和WC晶粒的断裂，进而提高硬质合金的耐磨性。

 

图5 不同合金的摩擦和磨损原理图：（a）WC-Co，（b）WC-WCoB-Co。

添加少量WCoB的超粗硬质合金的磨损机制包括划痕损伤、粘结剂磨损缺失，以及WC晶粒的变形、破碎和掉落，而未添加WCoB的合金的磨损失效主要由WC晶粒的破碎和掉落来决定。含WCoB的硬质合金由于WCoB对Co缺失后可能发生断裂和掉落的WC晶粒具有保护作用，因此具有较高的耐磨性。

综上所述，研究人员开发了具有高耐磨性的超粗硬质合金，并且通过实验和有限元仿真研究了WCoB添加对超粗WC-8Co硬质合金耐磨性的影响，结果表明高硬度的WCoB在WC/WC和WC/Co界面处均匀分布，使得WC晶粒中应力分布均匀，并且能够在Co缺失后支撑WC晶粒。因此，降低了硬质合金在磨损过程中WC颗粒脆性断裂和掉落的可能性，这为设计具有高耐磨性和断裂韧性的超粗硬质合金提供了一种方法。（文：晓太阳）

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