引言

碳化鎢（WC）是一種由鎢（W）和碳（C）通過共價鍵結合形成的硬質化合物，具有極高的硬度（莫氏硬度8.5~9.0）、優異的耐磨性和化學穩定性，被譽為“工業牙齒”。其獨特的性能使其廣泛應用于切削工具、模具、礦山機械及航空航天等領域。本文從化學成分出發，解析碳化鎢的元素組成、微觀結構與性能關系，并探討其在先進制造中的技術挑戰與創新方向。

一、碳化鎢的化學成分與結構

1. 基本成分

• 鈷（Co）：作為粘結相（含量1%~25%），改善燒結性能與韌性。

• 鉻（Cr）、釩（V）、鉭（Ta）：微量添加（≤5%）以提高抗熱疲勞性或細化晶粒。

• 碳化鎢（WC）：化學計量比為W:C=1:1，理論密度為15.7~15.9 g/cm3，晶體結構為面心立方（NaCl型）。

• 常見摻雜元素：

2. 雜質控制

• 氧（O）、氮（N）等間隙元素需嚴格限制（總含量≤0.1%），以避免晶界脆化。

二、核心成分的作用與性能機制

1. 碳化鎢（WC）——硬質相的主體

• 高硬度來源：W-C鍵的高鍵能（約850 kJ/mol）及密排六方晶體結構抑制位錯滑移。

• 耐磨性：高硬度與低摩擦系數（0.1~0.3）結合，減少工具磨損。

2. 鈷（Co）——粘結相的關鍵

• 韌性提升：鈷填充WC顆粒間隙，通過金屬鍵傳遞載荷，緩解裂紋擴展（斷裂韌性提升至10~15 MPa·m1/2）。

• 燒結助劑：降低燒結溫度（1400~1600℃），促進致密化（相對密度≥99.5%）。

3. 微量元素的協同效應

• 鉻（Cr）：形成Cr?C?強化相，抑制高溫氧化。

• 釩（V）：細化WC晶粒（平均粒徑≤1 μm），增強抗剝落性。

三、制備工藝與成分的適配性

1. 粉末冶金法

• 機械合金化：通過球磨混合WC與Co粉，控制粒度分布（D50=1~5 μm）。

• 兩段燒結：第一階段低溫預燒（1200℃）形成WC-Co骨架，第二階段高溫致密化。

2. 熱等靜壓（HIP）

• 在1800~2000℃、200~300 MPa氬氣環境下燒結，實現全致密化（密度>99.9%），適用于高精度耐磨部件。

四、應用領域與技術挑戰

1. 主要應用

• 切削工具：硬質合金刀具（如車刀、銑刀）壽命較高速鋼提升5~10倍。

• 礦山機械：牙輪鉆頭、盾構機刀具（耐磨性提高30%以上）。

• 模具：冷作模具（沖壓壽命提升2~3倍）。

2. 新興挑戰

• 高溫性能需求：航空航天領域要求WC-Co合金在600℃以上保持硬度（需添加TaC、TiC形成復合硬質相）。

• 環保與回收：鎢資源稀缺性推動無鈷粘結體系（如Ni-Fe合金）及廢料回收技術研發。

五、未來發展方向

1. 成分創新

• 納米復合化：WC-10%Co納米晶材料（晶粒<100 nm）兼具高硬度與韌性。

• 梯度結構設計：表層WC-Co與芯部金屬基體梯度過渡，平衡耐磨與抗沖擊性。

2. 綠色制造

• 水熱合成法：低溫制備納米WC，減少能耗與污染。

• 增材制造：激光選區熔化（SLM）技術實現復雜形狀WC工具定制化生產。