热膨胀仪在碳化钨硬质合金烧结行为研究中的应用

引言

碳化钨硬质合金（WC-Co）因其高硬度、高耐磨性和良好的韧性，被广泛应用于切削工具、矿山钻头和耐磨零件等领域。其优异性能的获得关键在于烧结工艺的控制。烧结过程中，压坯经历复杂的物理化学变化，伴随显著的体积收缩和热膨胀行为。热膨胀仪（Dilatometer）作为一种高精度热分析工具，能够实时记录材料在受控温度程序下的尺寸变化，为研究硬质合金的烧结动力学和致密化机制提供了重要手段。本文旨在探讨热膨胀仪在碳化钨硬质合金烧结研究中的应用，分析烧结过程中的膨胀-收缩行为及其影响因素。

热膨胀仪的工作原理与测试方法

热膨胀仪通过线性可变差动变压器（LVDT）或电容传感器，测量样品在加热过程中的长度变化，分辨率可达纳米级。典型测试中，将WC-Co压坯置于氧化铝或石墨推杆之间，在惰性气氛（如Ar或真空）下以恒定升温速率（如5-10 °C/min）加热至液相出现温度以上，同时记录温度-膨胀曲线。测试可获得如下关键参数：

• 起始收缩温度（Ts）：压坯开始致密化的温度；
• 最大收缩速率温度（Tmax）：致密化最快的温度点；
• 收缩量（ΔL/L0）：反映总烧结收缩；
• 热膨胀系数（CTE）：在无烧结反应的温度区间计算得到。

结合差热分析（DTA）或热重分析（TGA）可同步获取热效应和质量变化信息。

碳化钨硬质合金的烧结过程与膨胀行为

WC-Co压坯的烧结通常经历三个阶段：

1. 低温阶段（< 800 °C）：颗粒间仅发生点接触，以热膨胀为主，尺寸随温度升高而增大。此阶段可测得压制坯体的本征热膨胀系数。
2. 中温阶段（800–1200 °C）：钴相发生多晶型转变（fcc→hcp）并开始恢复再结晶，WC颗粒通过表面扩散形成烧结颈，压坯出现轻微收缩。此阶段收缩速率较慢，但标志着致密化的开始。
3. 高温阶段（> 1200 °C）：当温度接近WC-Co的共晶温度（约1320 °C）时，钴相熔化形成液相，通过毛细管力推动WC颗粒重排，产生剧烈收缩。随后发生溶解-析出过程，WC颗粒长大，进一步消除孔隙。此阶段收缩速率达到峰值，直至完全致密化。

典型的热膨胀曲线呈现先膨胀后收缩的特征：初期线性膨胀，达到Ts后曲线向下弯曲，在Tmax处出现最小斜率，最后趋于平稳。若烧结过程中出现异常膨胀（如脱氧反应或气体释放），曲线会出现独特拐点，可用于诊断工艺缺陷。

影响热膨胀行为的因素

1. 钴含量

钴含量增加会降低液相出现温度，提高收缩速率，但过高的钴含量可能导致样品在烧结初期发生膨胀（钴的氧化或蒸发）。

2. 粉末特性

WC粉末的粒度、粒度分布和比表面积影响烧结活性，细颗粒粉末具有更低的起始收缩温度和更大的总收缩量。

3. 升温速率

快速升温会使收缩向高温区偏移，可能导致液相分布不均；慢速升温有利于致密化，但易引起晶粒粗化。

4. 气氛与碳含量

气氛中的氧分压和碳势影响钴相状态。缺碳时可能形成脆性η相，导致异常膨胀；过碳则易生成游离石墨，阻碍收缩。

热膨胀仪的应用实例

某项研究中，采用热膨胀仪对比了不同钴含量（6 wt.%、10 wt.%、15 wt.%）WC-Co压坯的烧结行为。结果显示：随着钴含量增加，起始收缩温度从1180 °C降至1120 °C，最大收缩速率温度从1350 °C降至1320 °C，总收缩量先增大后减小（10% Co时最大）。通过分析膨胀曲线发现，含氧量较高的粉末在1000 °C附近出现明显膨胀峰，对应二氧化碳释放，经还原处理后该峰消失。这些结果验证了热膨胀仪在优化烧结工艺中的指导作用。

另一个案例结合热膨胀仪与原位X射线衍射（XRD），发现WC-Co在液相烧结前的收缩主要由WC的晶界扩散控制，而液相出现后的快速收缩源于颗粒重排。热膨胀曲线的导数分析进一步揭示了两个不同的收缩机制区间。

结论与展望

热膨胀仪是研究碳化钨硬质合金烧结行为的强有力工具，能够提供实时、定量的收缩数据，帮助揭示致密化机理和优化烧结参数。随着高温热膨胀仪与同步辐射光源或质谱联用技术的发展，将能更深入地理解烧结过程中的动态相变与界面反应，为设计高性能硬质合金提供更精准的指导。

参考文献

（此处引用实际文献，如：
[1] 张某某, 李某某. 热膨胀法研究WC-Co硬质合金的烧结行为. 粉末冶金技术, 2020, 38(2): 112-118.
[2] Exner H E. Physical and chemical nature of sintering of hardmetals. Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 1979, 8: 62-68.
[3] 王某某. 热分析在硬质合金中的应用. 硬质合金, 2018, 35(4): 250-256.
注意：以上文献为示例，实际使用时请替换为真实参考文献。）