黎華挺，耿占吉＊

（長(zhǎng)沙華希新材料有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 碳化物在鉬合金中的應(yīng)用概述

由于碳化物的力學(xué)性能好、熔點(diǎn)高、硬度高、熱穩(wěn)定性好，所以其被廣泛應(yīng)用在合金材料中，尤其是在硬質(zhì)合金層中發(fā)揮著重要作用。

鉬合金中碳化物的應(yīng)用最早源于日本，利用熱等靜壓燒結(jié)和機(jī)械合金化工藝制得Mo-TiC合金，該合金中的TiC粒子可有效抑制基體鉬晶界發(fā)生遷移變化，故該鉬晶粒被完全細(xì)化。此外，TiC粒子會(huì)阻止基體與其發(fā)生界面流動(dòng)，這足以使其結(jié)晶的溫度得以提高，高達(dá)2000攝氏度。東京鎢業(yè)研究了TiC純度對(duì)鉬合金晶粒度的影響，結(jié)果表明：當(dāng)TiC純度升高時(shí)，鉬合金的晶粒尺寸會(huì)變小至5μm，在700℃和1000℃的高溫環(huán)境下鉬合金的抗彎強(qiáng)度為800MPa和300MPa，其組織性能要比純鉬和TZM合金高出許多[1]。這主要是因?yàn)殂f合金熱穩(wěn)定性較高，其在構(gòu)建核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)部件當(dāng)中有著廣泛的應(yīng)用，有知名專家發(fā)現(xiàn)，對(duì)Mo-0.2wt% TiC合金進(jìn)行一次輻射操作后，其韌脆的轉(zhuǎn)變溫度會(huì)比TZM合金低出許多。

2 添加TiC對(duì)鉬合金組織性能的影響探究

2.1 添加TiC對(duì)鉬合金組織形貌的影響

通過對(duì)添加不同含量的TiC鉬合金研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TiC的含量是1%時(shí)，鉬基體的晶粒尺寸保持在10μm以上，而在一些直徑較大的晶粒中間會(huì)存在10μm以下的晶粒；當(dāng)TiC的含量為3%時(shí)，鉬基體的晶粒尺寸會(huì)維持在8μm～10μm之間，并且該基體中會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚的TiC；當(dāng)TiC的含量為5%時(shí)，TiC的團(tuán)聚現(xiàn)象會(huì)變得更嚴(yán)重，而其基體的晶粒尺寸與前者相差不大；當(dāng)TiC的含量為7%時(shí)，鉬的晶粒尺寸維持在3μm～6μm之間，而純鉬燒結(jié)坯的晶粒尺寸會(huì)保持在40μm上下。由此可得，TiC能夠有效得細(xì)化鉬的晶粒。

2.2 Cr，NbC等元素與碳化鈦的對(duì)比變化狀況分析

圖1是五組合金密度變化的示意圖，五條曲線的重合點(diǎn)是純鉬坯對(duì)比試樣的密度。

從圖中數(shù)據(jù)不難看出，在對(duì)三組合金進(jìn)行單獨(dú)添加作業(yè)時(shí)，添加TiC以及添加Cr時(shí)鉬合金的密度會(huì)呈現(xiàn)出線性的變化趨勢(shì)，并且其波動(dòng)程度較小，而添加NbC時(shí)其密度的波動(dòng)程度較大。對(duì)此三組合金的密度進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，從理論上來講應(yīng)該是添加NbC的組別其密度最高，添加Cr的組別其密度處于中等水平，而添加TiC的組別其密度應(yīng)當(dāng)是處于最低的水平。然而實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果卻是添加NbC的組別其密度整體較小，比添加Cr的組別要低，并且當(dāng)添加量是3%和5%時(shí)，添加NbC的組別其合金密度要比添加TiC的組別低[2]。與其之前的形貌圖譜對(duì)比可知，添加Nbc組分的鉬合金基體出現(xiàn)一些孔洞，直徑約50μm，從而導(dǎo)致鉬合金基體的密度降低，隨著基體密度的變化，也會(huì)充分引發(fā)孔洞數(shù)量的遞增。

圖1 合金密度隨著成分和含量變化而變化的示意圖

3 TiC添加量對(duì)鉬合金組織性能的影響分析

通過對(duì)四組不同碳化物含量鉬合金的硬度和相對(duì)密度研究發(fā)現(xiàn)，該合金材料的硬度值與碳化物的含量相關(guān)，且隨著碳化物含量的遞增使其密度下降。

當(dāng)碳化物含量為12%時(shí)，其合金硬度值為93.6HRA，但其密度為99.2%[3]。

由此可知，碳化物的添加可使其合金材料的硬度提高，與實(shí)驗(yàn)要求值完全吻合，見圖2所示。

圖2 合金的硬度和相對(duì)密度的變化

但在相同的燒結(jié)溫度下，CO的潤(rùn)濕性比WC差得多。在液相燒結(jié)過程中，碳化物比WC更難致密化，更容易形成孔洞。

由于本實(shí)驗(yàn)仍采用真空燒結(jié)，很難消除合金中的氣孔。由于四種試樣在同一溫度下燒結(jié)，含有較多碳化物的合金較難致密，表現(xiàn)出較低的相對(duì)密度，合金的相對(duì)密度隨著復(fù)合碳化物的增加而降低。

不同碳化物含量合金的橫向斷裂強(qiáng)度如圖3所示。從圖中可以看出，不含碳化物的合金的橫向斷裂強(qiáng)度最高，達(dá)到2240MPa，隨著碳化物含量的增加，其橫向斷裂強(qiáng)度降低，且下降幅度較大。碳化物含量為12%時(shí)，合金的橫向斷裂強(qiáng)度為1480MPa。

圖3 4組試樣的橫向斷裂強(qiáng)度

通過上述研究可知，合金材料中添加碳化物，對(duì)其強(qiáng)度造成的影響因素可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：①碳化物的脆性和硬度增加了合金的脆性，降低了合金的韌性。此外，實(shí)驗(yàn)中使用的碳化物較粗，即使經(jīng)過預(yù)研磨也很難保證某些粗碳化物的存在。②復(fù)合碳化物對(duì)CO的潤(rùn)濕性較低，增加了合金的孔隙率。氣孔是硬質(zhì)合金中的一種嚴(yán)重缺陷，它會(huì)引起應(yīng)力集中，嚴(yán)重降低硬質(zhì)合金的強(qiáng)度。③碳化物的低潤(rùn)濕性也表現(xiàn)為結(jié)合相結(jié)合強(qiáng)度的降低，尤其是當(dāng)碳化物含量較高時(shí)。綜上所述，碳化物的加入顯著降低了細(xì)晶硬質(zhì)合金的強(qiáng)度。

4 結(jié)語

總而言之，對(duì)碳化物增強(qiáng)鉬合金組織性能加以充分的研究，能夠促使我國(guó)鉬合金事業(yè)得以順利發(fā)展，為此，筆者已于上文對(duì)碳化物增強(qiáng)鉬合金組織性能的研究進(jìn)展做出了詳細(xì)的闡述，希望能對(duì)相關(guān)人員有所幫助，也相信未來我國(guó)在碳化物增強(qiáng)鉬合金組織性能層面的研究會(huì)取得更深進(jìn)展，中國(guó)鉬合金事業(yè)也必將實(shí)現(xiàn)更為繁榮的發(fā)展。