硬質合金球在工作時，材料表面受到摩擦力的作用，表面形成拉應力，而硬質合金球抗拉性能差，很容易在表面形成裂紋，加速材料的破壞。室溫下梯度硬質合金球中表面的殘餘壓應力的存在將會部分地抵消工作載荷施加的拉應力，阻礙或延緩裂紋的形成和擴展，提高硬質合金球的橫向斷裂強度。因此，如果在梯度硬質合金製備過程中，能夠表面形成殘餘壓應力，將會提高表面的抗拉性能，阻止裂紋的萌生和擴展非常有利。

在材料的功能設計中，將表面設計為貧鈷區，在次表面區形成一個富鈷帶，芯部區域則為均勻材料，由於富鈷層的收縮將會在表面形成較大的殘餘壓應力，富鈷層形成殘餘拉應力，這在前面的實驗和計算中都己經得到了驗證。這樣的設計，表面層貧鈷有利於提高其耐磨性，且表面形成的殘餘壓應力有利於阻止裂紋的萌生和擴展。但是由於硬質合金球抗拉性能遠小於抗壓應能，富鈷層的殘餘拉應力的值也應該越小越好。故在梯度硬質合金的結構優化設計中，需要考慮兩個方面因素：(l)表面的殘餘壓應力應該越大越好；(2)拉應力應分佈在富鈷帶，並且拉應力的值越小越好。




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根據傳統液相燒結理論，硬質合金球原材料的液相燒結過程包括三個階段：（1）液相的流動和WC顆粒重排階段；（2）WC的溶解一析出階段；（3）固相燒結階段。不同燒結溫度下合硬質合金球的密度隨碳含量和燒結溫度的變化情況。隨著碳含量的增加，合金的絕對密度先大幅度增加後逐漸緩慢減少，在碳含量為一定值時出現最大值；提高燒結溫度，硬質合金球的密度略有增加。其原因主要在於硬質合金球中的碳含量影響液相出現溫度、鈷相的含量以及由此導致的緻密化變化。

硬質合金球原材料液相燒結過程中，隨著合金中碳含量的增加，液相開始出現溫度降低；合金中缺碳將會由於幾相的形成消耗了部分鈷而降低其鈷相含量。因此，碳含量為5.0wt%的合金液相燒結過程中鈷相含量最小，導致緻密化困難；隨著碳含量的增加，燒結過程中生成的q相含量減少，鈷相含量因消耗小而增大，液相含量相應地增加，促進燒結緻密化的進行，硬質合金球的密度隨之增大。




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為滿足梯度硬質合金球高硬度、高韌性的要求，將合金中粘結相含量的分佈設計成為梯度區和均勻區，其中梯度區由表及裏的鈷含量先不斷增加後逐漸減小。在這種結構中，表層粘結相含量低於平均值，硬度高，耐磨性好；中間層的粘結相含量高於平均值，具有高韌性；芯部的粘結相含量為平均值，硬度和韌性兼顧，起到剛性支承作用。

梯度硬質合金球的製備過程隨著溫度的變化，由於梯度材料中各組成相的熱物理性質不同而引起膨脹或收縮不一致，從而使硬質合金球產生很高的熱應力。收縮不均勻主要由於中間富鈷層的形成。由於富鈷區熱膨脹係數大，收縮時受到約束而產生拉應力，表面貧鈷區熱膨脹係數較小，在收縮過程中產生壓應力，芯部由於力的平衡而產生壓應力。熱應力的大小取決於梯度硬質合金球鈷相梯度分佈和溫度下降的幅度。表面壓應力的形成，有利於抗開裂，提高硬質合金球的壽命。




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鎢塑料屏蔽件的基本特性：

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硬質合金球通常都在較高的溫度下工作，因此只注重其室溫下的性能顯然是不夠的，還必須提高其在高溫下的性能，才能更確切地評定合金的性能及其在使用時的行為。

硬質合金球的高溫強度主要取決於碳化物骨架的強度。在低溫下，鈷相的性能對硬質合金球強度影響較大，因為在低溫下碳化物骨架的脆性較大，斷裂裂紋的擴展主要靠鈷相的塑性變形來阻礙；而在高溫下，碳化物骨架的塑性增大，而此時鈷相已經軟化，裂紋的擴展可由碳化物骨架內晶粒的塑性變形而受到阻礙。這就是不同鈷含量的硬質合金球在高溫強度差別縮小的原因，也是WC-TIC-Co硬質合金球在高溫下具有較WC-Co硬質合金球高強度的原因。如果在WC-Co或WC-TIC-Co合金中加入與碳化鎢形成固溶體的其他碳化物，使碳化物骨架受到強化，降低碳化物骨架在高溫下的軟化速度，那麼就可以提高硬質合金球的高溫強度或者使合金強度隨溫度升高下降較小。




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梯度硬質合金球為一種新型的非均勻複合材料，目前，關於梯度硬質合金球力學性能的研究多集中在對製備過程中引起的殘餘熱應力進行檢測。X射線及中子衍射方法被用於評價層狀材料和塗層中的內應力，X射線殘餘應力測量一般地限於表面下幾個微米的淺層，中子衍射方法可以確定較厚的應力分佈。

除了上述的衍射無損檢測技術以外，有損檢測方法，諸如剝層和鈷孔，以及螢光技術和硬度法都己用於估計梯度硬質合金球的內應力，但是這些技術一般不能提供梯度多層結構的應力、應變以及幾何的原位變等力學性能的測量。硬度是梯度硬質合金球抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料軟硬的判據。對於梯度硬質合金球，硬度尤其是表面硬度是衡量材料性能的重要判據。WC單晶體的維氏壓痕硬度測量表明，WC的硬度是各向異性的。硬質合金球牌號的壓痕硬度值不受WC單晶體硬度各向異性的影響，因為碳化鎢晶體在合金材料中的取向是任意的。因此，鎢鈷類硬質合金的力學性能取決於含鈷量和碳化鎢的晶粒大小。




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鎢鈷類硬質合金球，其主要成分是碳化鎢和鈷。碳化鎢是鎢鈷類硬質合金球的“骨架”，主要起堅硬耐磨作用；鈷是粘結金屬，是合金韌性的來源。因此，鎢鈷類硬質合金球與合金鋼球相比具有以下特性：耐磨性高、拋光性好、粘附性小、摩擦係數小、能量消耗低、抗蝕性能高。鎢鈷類硬質合金球具有極高的硬度和穩定的化學性質，其耐磨性極高，是一種理想的材料。

鎢鈷類硬質合金球在製作過程中，當由硬質相和粘結相組成的燒結體與金屬熔體作用時，在高於金屬熔點的溫度下，液態金屬和燒結體內粘結金屬之間發生品質遷移。這種遷移是液態金屬沿硬質顆粒形成的微孔通道而進行的，並能引起燒結體成分和結構的變化。即使是無孔隙的燒結體在與鑽熔體接觸時，仍能吸收熔體鈷。這是因為在高於金屬熔點的溫度下，金屬熔體與燒結體粘結相之間發生品質遷移，此時，如果熱力學條件得到滿足，此過程可一直進行到使碳化鎢晶粒相互隔離開，從而重新改組骨架組成。其結果是通過控制，可在製品中獲得一定深度的高鈷層，並得到沿整個製品截面成分、性能不同的鎢鈷類硬質合金。




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鎢塑膠，有些人也成它為塑膠鎢，是無鹵塑膠粘合劑填充到鎢合金粉末通過特定的工藝加工而成的。因此，塑膠鎢具有鎢粉末和塑膠的雙重優點：無鉛，很容易被加工成不同形狀的產品，未使用限制在電子電器產品中使用的有害物質，長久耐用，密度高，防輻射性強等特點。

基於塑膠鎢的這些優良的特性，因此現在很多醫療設備的遮罩件產品和其他工業用的遮罩件產品都是用鎢塑膠做原料來生產，鎢塑膠遮罩件取代了早先鉛作為遮罩件原材料的地位，因為鉛是有毒的，不利於環境的保護。




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硬質合金一般應用在耐磨損零部件、切削刀具以及耐衝擊工具等領域。硬質合金球在工作中，與介質和其他零部件間產生強烈的摩擦，磨損量不斷增大，溫度不斷升高，同時受到熱疲勞和應力疲勞共同作用硬質合金球是靠在地質礦山領域，在鑿岩鈷進中，經受高頻率的衝擊載荷，且受到扭轉、彎曲、拉伸、壓縮等多種複合應力的作用，在高速回轉碰撞的環境下經受岩石、岩粉和礦水等工作介質的磨損與腐蝕。

綜上所述，硬質合金球服役環境非常惡劣，受力情況複雜，在工作過程中需要承受很大的磨損和載荷，因而要求合金具有很高的表面抗磨損性能以及很高的強度和斷裂韌度。在均勻合金中，表面耐磨性能的提高可以採用降低鈷含量的辦法，但是降低鈷含量的同時合金的強度也隨著下降，斷裂的危險性也增大。三層結構梯度硬質合金球因其表層鈷含量較低而具有較高的表面硬度和耐磨性，中間為富鈷層以增強材料的韌性，可以延緩表面裂紋向內部擴展，芯部為含幾相的缺碳合金，提高了材料的總體強度。三層結構梯度硬質合金球中的硬、韌兩相含量呈連續的梯度分佈，可以根據材料各部分使用功能的不同調整硬、韌兩相的分佈，使其滿足各種不同使用功能的要求。




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製備梯度硬質合金球有多種方法，不同方法所製備的梯度硬質合金球其梯度結構及合金的整體性能也各有所異。根據其顯微組織的不同，可將梯度硬質合金球分成兩類：(l)粘結相含量呈梯度變化的硬質合金球；(2)合金內硬質相晶粒度呈梯度變化的硬質合金球。

根據合金梯度結構形成的機理不同，梯度結構硬質合金球原材料的製備方法主要有以下兩類：(1)基於構造的方法，即構造法；(2)基於傳輸的方法，即傳輸法。構造法預先在宏觀上將某一成分按期望的梯度結構進行精確地堆疊而構成。這種方法為設計者獲得性能優異的梯度結構硬質合金材料提供了很好的靈活性。但是，採用構造法制備梯度結構材料有其缺陷：由於在合金中存在比較明顯的介面，並且不同層材料的熱物理性能可能有較大的差異，因而可能會在合金的介面處產生較大的應力，冷卻過程中會產生變形。為了盡可能消除介面處的應力集中，應儘量調整好不同層的成分和顆粒尺寸，以便不同層之間具有相同或相近的燒結速率。




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