钨钢

钨钢（英文名：tungsten steel）是一种含有钨元素的合金钢^[6]，又被称为硬质合金^[3]，俗称钨金^[2]。它主要是由作为粘结相的钢和作为硬质相的难熔金属碳化钨一起烧结而制成的^[7]。其主要元素除了有金属钨和碳以外，还包含铬、钒、钼mù、钴等金属元素^[8][4]，可采用电感耦合等离子体法测量各元素的含量^[9]，然后可根据钨钢中成分的不同分为钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金、钨钛钽tǎn（铌ní）类硬质合金和钢结类硬质合金^[3][10]。

钨钢具有高硬度、耐磨性好、高热硬性等优良性能，其在常温下的硬度可达86~93b HRA。^[11]除此以外，钨钢还具有出色的抗压能力、高弹性模量和耐腐蚀性，并且具有良好的抗氧化性。^[11]但同时钨钢具有抗弯强度低、脆性大、怕振以及导热性能差等不足。^[11]

钨钢主要用于饰品以及各种工具和耐磨零件等的制作，在机械加工、建材工业等众多领域有着丰富的应用；^[10][12]除此以外，所制作的钨钢制品还可通过粘接、钎qiān焊以及机械装夹等加工方式固定在钢制刀体或模具体上使用。^[2][5]

19世纪50年代人们发现了钨有助于提升钢的性质。随后在1865年，俄国皮尔米的莫托维利赫工厂首次炼出钨钢，发现其制成的刀具质量远远好于其他刀具。在那之后不到五十年的时间里，冶金学家们创造出了更好的钨车刀，从而使金属的切削速度增加了200倍。但一直等到十九世纪末和二十世纪初钨钢才开始被广泛生产。^[13]

在普通碳钢中加入钨元素所获得的钨钢依然保持了钨的优良特性，既具有高硬度又耐高温（熔点可达3377℃）^[14]，而且其耐磨性好，不容易出现划伤、变形等现象。^[2]除此以外钨钢的光亮度高，经抛光之后亮度高且有光泽，还具有良好耐腐蚀性能和抗氧化性^[11]，不容易发生褪色或变色等现象。^[2]钨钢的抗压强度和弹性模量也很高，其抗压强度可达6000MPa，弹性模量甚至是高速钢的2~3倍。^[11]

钨钢可以根据成分的不同分为钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金、钨钛钽（铌）类硬质合金和钢结类硬质合金。^[3][10]

符号是WC-Co类合金。^[10]钨钴合金主要由碳化钨和钴组成，常温时硬度有HRA89~92，红热硬度有800~900 ℃，国标牌号是YG，牌号中的字母代表合金类型，数字表示含钴量，数字越大表示含钴量越多。^[3]钨钴合金具有良好的坚韧性，可以用来制造加工脆性材料或冲击力较大工件的刀具，也可用来加工某些有色金属。但同时该类合金存在热硬性较差以及高温下不耐磨的特性，因此不利于用来切削韧性较强的塑性材料。^[3]

符号是WC-TiC-Co类合金。^[10]该合金主要由碳化钨、碳化钛和钴组成，其常温时硬度是HRA89.5~92.8，红热硬度是900~1000 ℃，牌号是YT，与钨钴类合金的命名方式类似，YT指代合金类型，字母后的就数字越大，合金内碳化钛含量越高，热硬性越好，则韧性越差。^[3]综合考虑下，虽然钨钛钴合金的热硬性较好，但其性脆，不耐冲击，因此其常用于加工钢类和其他塑性材料，不利于加工脆性材料。^[3]

符号是WC-TiC-TaC(NbC)-Co类合金。该类合金主要由碳化钨、碳化钛、碳化钽（碳化铌）和钴组成，牌号是YW。该合金比碳化钴合金具有更高的抗弯强度和高热硬度以及更好地高温抗氧化性和抗热震性。因此它的通用性好，既可用于加工钢材，也可用于加工铸铁。^[10]

钢结类硬质合金无符号说明。该类合金主要由碳化钨或碳化钛与碳素钢或合金钢组成，牌号是YE。该合金在退火状态下可以经受各种切削加工和无削加工以及焊接。在淬cuì火后其硬度可与钨钴类硬质合金相媲美，但抗弯强度较低，目前主要用作模具和耐磨零件。^[10]

钨钢可用来制作饰品，如戒指、手链、吊坠等。^[2]用钨钢制作的饰品一般具有硬度高、耐磨，光亮度高，耐腐蚀性能好，钨钢比重大、质感强等优点，但同时具有脆性大、不耐冲击且硬度高，加工难度大的缺点，所以钨钢饰品一般没什么装饰，偶尔会在戒指上面镶以黄金、铂金等贵金属。^[2]

钨钢被用来制作刀具的用量最大^[5]，主要用于制造高速切削和加工高硬度材料的切削刀具，如车刀和铣刀等^[15]，而且元素含量不同的钨钢有不同加工方式来制作刀具。^[16]钨钢还可用于制作模具，主要是冷作模如拉深模、冲模、冷挤模和冷镦模等；还会用来制作千分尺、量块、塞规等量具^[5]。除此以外现代针灸所用的火针也大多用钨钢制成。^[17]地质矿山工具同样是钨钢的一大用途，主要用于冲击凿岩用钎头、地质勘探用钻头、矿山油田用潜孔钻、牙轮钻以及截煤机截齿、建材工业冲击钻等。^[10]钨钢还可用来制作耐高压高温用腔体，例如生产合成金刚石用的顶锤、压缸等制品。^[10]

钨钢可用于制作旋转密封环、压缩机活塞、车床顶头、磨床心轴、轴承轴颈等结构零件，也可用于制作精轧辊gǔn、精密轴承、导杆等耐磨零件，这些耐磨零件可应用于化工工业中的生产仪器。^[5]

钨钢可作为硬磁材料用作储藏和提供磁能的永久磁铁，也可用于制作磁电式仪表、测量仪表、微波器件和微电机的材料。^[18]

该方法是将碳化钨粉与钢基体形成粉末后进行混合、成形，然后在有液相存在的条件下、可在真空的环境或是氢气中进行烧结^[7]，烧结过后对产品进行检查退火即可获得钨钢。^[19]其中成型方法可选择挤压成型或者注射成型。挤压成型是将混合好的原料粉末与一定量的挤压成型剂组成可塑性泥料后，经挤压成型机后可形成一定形状，再进行脱脂即除去黏结剂，然后烧结成型可获得钨钢。^[10]而注射成型是将制作钨钢所需的原材料粉末与黏结剂加热均匀混合后制成注射料，然后经注射成型机形成坯料，用物理和化学的方法合理脱出黏结剂，再高温烧结成型获得产品钨钢。^[10]

在传统液相烧结法的方法上，选择冷等静压的加固方法。将粉末冶金法过程中加压固结所形成的压坯放入密闭容器中，在压坯表面覆盖弹性模具，然后在室温条件下向容器中冲入高压液体，使压坯在各个方向上均匀受力，从而使压坯更加牢固后再进行烧结成型。^[10]

微波烧结法是直接将钨元素、碳元素和钴元素的混合粉末压坯成型后直接进行烧结成钨钢的制作工艺。^[20]而电冶熔铸法是取适量配比的碳化钨粉末以及废弃的GCr15轴承钢粉，再加入微量元素钇yǐ，然后将原料放入中频感应电炉中制做成自耗电极，在之后将电极放入单臂梁立式电渣炉中制成所需钨钢。^[21]机械合金法则可将制作钨钢所需的原料粉末即钢粉和钨粉加入球磨罐中，抽取球磨罐中的空气至真空后再充入氩yà气，然后球磨一段时间后取出即可获得钨钢。^[22]还有自蔓延高温合成法（SHS）是直接将原料粉末混合，然后采用燃烧合成的方法来制备钨钢。^[23]

微波加热具有加热速度快、整体加热、选择性加热以及非热效应等传统热传导加热方式所不具备的特点，但还未大规模工业化应用且微波加热大规模实施较困难。电冶熔铸法则具备工艺简单、生产成本低廉、材料组织致密、纯净且无明显碳化物偏聚等优点，但它是一种近年来才兴起的新的生产工艺，还未完全了解该生产工艺。机械合金法可以提高固态反应的速率，但生产工艺较为复杂。自蔓延高温合成法可以改善组织性能，所得产品密度较高且烧结性较好，但其所合成的产物空隙较大，且增强相的大小和形貌很难控制。^{[20][21][22][23]}

采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测量钨钢中硅、锰、磷、铬、镍niè、铜、钼、钒和钨这9种元素的含量。在电感耦合等离子体原子发射光谱仪中各元素的分析谱线数值不同，每种元素的质量分数在一定的范围内与其发射强度呈线性关系。先用仪器获取各个元素的质量分数与发射强度的线性回归方程，再将将样品完全溶解后置于容量瓶中，按仪器工作条件进行测定每个元素的发射强度，将所得数据进行分析可得每个元素的质量分数。^[9]

从钨钢本身来讲，钨钢的主要缺点是导热性和塑性很差以及其韧性差，^[24]因此在加工和使用的过程中要避免冲击、以及避免温度发生剧烈变化。^[11]其次是钨钢由于硬度高的原因不能用一般的方法进行加工，需要进行专门的方式和工具来进行，因此增加了加工的复杂性。^[11]最后是钨钢制作对应的材料时存在组分配比不适量的问题，从而达不到相对应的效果。^[2]由于这个原因，加工时不得不使用电火花或线切割来进行处理，并使用特殊的砂轮来进行磨削。