摘要
钴作为硬质合金生产中使用最广泛的粘结剂，存在资源稀缺、成本高昂等问题。Fe和Ni因与Co性质相近可作为替代粘结剂，Ni因其钝化特性，有助于提高耐蚀性能；Fe有助于细化WC晶粒提高耐磨性能，通过调控和优化Co-Fe-Ni复合粘结相成分与结构满足不同工况对硬质合金耐蚀耐磨特定性能需求。由于采用复合粘结相制备硬质合金过程中易产生缺碳与富碳的有害相，本文通过相图计算方法确定碳窗口区间，科学高效制备碳平衡硬质合金，研究了粘结相Co-Fe-Ni成分配比对粘结相分布、WC晶粒形状尺寸的影响，解析了粘结相与合金物理力学性能的关系。同时，探索了硬质合金的耐蚀与磨损机制。主要研究内容和结论如下： (1)研究了不同粘结相成分WC-10(Co-Fe-Ni)的显微组织与物理力学性能。结果表明，Co-Fe-Ni粘结相中Fe/Ni比增加会细化WC与粘结相晶粒尺寸，并使得粘结相金属烧结阶段填充WC间隙不充分，导致粘结相分布不均，硬度提高，抗弯强度降低。粘结相Co含量占比增加，有利于改善粘结相均匀性，提高合金的综合力学性能，影响合金力学性能的主要因素为粘结相分布、WC晶粒尺寸与粘结相固溶强化。在所研究成分范围内，WC-10(Co-Fe-Ni)硬质合金粘结相中Fe/Ni比为3∶7，Co含量7wt.%时，硬质合金能获得优异的综合力学性能，与典型WC-Co硬质合金相近。 (2)使用标准电化学方法探究了不同粘结相成分WC-10(Co-Fe-Ni)在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明，硬质合金在中性NaCl溶液中以粘结相金属腐蚀为主，腐蚀形态为点蚀，腐蚀过程为优先粘结相金属溶解，随浸泡腐蚀时间延长合金表面形成钝化膜，减缓阳极腐蚀。WC-10Co硬质合金耐蚀性能不及WC-10(Co-Fe-Ni)硬质合金，WC-10Co合金由于表面局部酸化，难以形成钝化膜减缓粘结剂的溶解，WC-10(Co-Fe-Ni)合金降低粘结相Fe/Ni比与Co含量占比可提高耐蚀性。在中性NaCl溶液浸泡腐蚀下，WC-10(Co-Fe-Ni)硬质合金粘结相中Fe/Ni比为3∶7，Co含量3wt.%时，硬质合金的耐蚀性能最佳。 (3)通过球-面往复滑动干摩擦实验研究了不同粘结相成分WC-10(Co-Fe-Ni)的磨损行为。结果表明，合金耐磨性的提高主要归因于硬度的提高和粘结相的强度增强，粘结相Fe/Ni比增加提高合金硬度，降低磨损率，Co含量增加使得粘结相更易产生滑移层错，形变硬化效应降低磨损。在以Si3N4为配副材料情况下，WC-10(Co-Fe-Ni)硬质合金粘结相中Fe/Ni比为7:3，Co含量7wt.%时，硬质合金的耐磨性最佳。
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