钨钢合金钻头材料的摩擦学性能与高温耐磨机制研究

引言：

硬质合金材料，尤其是以碳化钨（WC）为基体、金属钴（Co）为粘结相的 WC-Co 合金，因其高硬度、良好的红硬性和抗冲击性能，成为钻探设备、切削工具和工业刀具的首选材料。在钻头应用中，钨钢合金常常面临高温、高载、高速的工作环境，其摩擦与磨损行为直接影响材料的失效模式和使用寿命。在高温环境下，硬质合金的表面状态、组织稳定性和氧化行为均发生显著变化，进而改变材料的摩擦学特征。当前研究多集中于室温或中温下的磨损行为，对于 800% 以上的摩擦过程了解仍不充分，特别是在材料微观组织演化、氧化膜稳定性与摩擦行为之间的关系尚需进一步探讨。本文以基础研究为目标，通过对不同组织结构钨钢材料的高温摩擦实验，揭示其摩擦性能演变规律及其高温耐磨机制。

1. 实验材料与研究方法

本研究选用三种常见配比的 WC-Co 硬质合金样品，分别代表不同的钴含量与 WC 晶粒尺寸。所用合金材料均经等离子喷涂制备，并通过真空烧结工艺制成。样品在制备后经研磨与镜面抛光处理，确保测试表面粗糙度小于0.05 微米，以排除表面形貌对摩擦性能的干扰。

实验采用高温摩擦磨损试验机进行干摩擦测试，接触方式为陶瓷球与钨钢样品的“球 - 盘”结构。实验在室温、 400% 、 600^c 与 800% 下分别进行，每组温度条件下设定统一载荷与滑动速度，保持测试时间为 20 分钟。测试过程中记录摩擦因数的实时变化，并在试验后采用三维轮廓仪测量磨痕轮廓，计算磨损体积。此外，利用扫描电子显微镜（SEM）与能谱仪（EDS）对磨痕形貌和表面成分进行分析，并借助 X射线衍射仪（XRD）探测材料表面在高温摩擦后的相组成变化。

2. 实验结果与分析

2.1 摩擦因数的温度响应规律

实验结果表明，钨钢合金样品在温度升高的过程中摩擦因数总体呈上升趋势。在室温条件下，摩擦因数较为稳定且处于较低水平，随着温度升高至 400% ，材料表面开始出现氧化，摩擦因数有所升高。进一步提升至 600% 及 800^∘C 后，摩擦因数显著增加，尤其是晶粒细小的样品，其摩擦因数增幅最为明显。

这种现象主要归因于高温下材料表面生成的氧化物薄膜，其一方面可能充当保护层，降低金属直接接触；另一方面，该膜层通常较为脆弱，在摩擦过程中易破裂脱落，导致接触界面产生不稳定的粘着与剥离行为，造成摩擦因数的大幅波动。

2.2 磨损速率的温度演变

随着摩擦温度的升高，所有样品的磨损速率均有不同程度的上升趋势。在室温下，磨损较轻，以表面微切削为主。至 400% ，磨损形式逐渐过渡为轻微的剥落与黏着拉脱，表面出现局部氧化痕迹。 600^∘C 及以上时，磨损速率快速上升，样品表面出现明显的剥落坑、裂纹和磨粒划痕，部分区域还可见烧蚀痕迹，表明材料已进入氧化控制磨损机制。

尤其是钴含量较低且晶粒较细的样品，其在 800% 下的磨损速率几乎是室温下的数倍，说明组织稳定性与粘结相热软化能力对高温磨损行为有显著影响。

2.3 表面形貌与氧化膜特征

通过对高温磨痕的扫描电镜观察发现，材料表面存在大面积剥落坑、断裂边缘与层状残留物。在 600°C 与 800^∘C 试样表面，明显可见氧化膜的生成与破裂过程，其颜色较深，边缘不规则。能谱分析显示该区域富集氧元素，并伴随钨、钴元素的氧化态，主要形成 W0₃ 与 CoWO₄等复合氧化物。

XRD 分析结果进一步证实了这一结论。在高温摩擦试样表面检测到多种高温氧化相，且随着温度升高，晶体结构逐渐由 WC 主相向复杂的氧化混合相过渡，显示出材料表面在热 - 力耦合作用下发生明显的结构演变。

3. 高温耐磨机制的讨论

3.1 合金组织结构对耐磨性能的影响

合金中 WC 晶粒的尺寸与 Co 含量是决定其摩擦性能的核心因素。细晶粒材料虽然在室温下具备更高的硬度和更均匀的组织分布，但其在高温环境下更容易发生热裂纹扩展与颗粒剥落。而粗晶粒材料的高温稳定性更强，尤其是当钴相含量在 6% 至 8% 之间时，可有效平衡硬度与韧性，表现出较好的高温耐磨性。

适中的晶粒尺寸有助于提升抗热冲击能力，避免热疲劳裂纹沿晶界扩展，同时中等钴含量也确保了粘结相在高温下不易软化，维持较强的颗粒结合力。

3.2 氧化膜的生成与破裂机制

在高温摩擦过程中，钨钢表面迅速氧化，形成致密或半致密的氧化膜。这一膜层在一定程度上可起到自润滑作用，降低磨粒直接接触。但该膜层较脆，在持续剪切作用下容易破裂，破裂产生的氧化颗粒反过来又转化为磨粒，加剧磨损。

因此，氧化膜对磨损的影响是双重的：初期可能具有抑制磨损的正面作用，但在应力集中的边界处，其脆性破坏会形成大量磨粒，转化为负效应。如何控制氧化膜的稳定性与再生能力，成为提升钨钢高温耐磨性能的关键。

3.3 高温下的复合磨损机制

结合表面形貌、磨损速率和相组成的分析，本文认为钨钢钻头材料在高温摩擦环境下主要受到三种磨损机制的共同作用 . 首先是黏着磨损，高温下材料软化导致接触面间发生局部黏连，拉脱形成剥落坑；其次是磨粒磨损，氧化膜破裂产生的碎屑作为磨粒，在接触界面反复嵌入、划伤表面；第三是氧化磨损，氧化膜的不断生成与剥离成为磨损演化的主导过程。

这三种机制在不同温度阶段占比不同，构成了一个随温度升高而不断动态演化的复合磨损模式。

结束语：

通过系统的高温摩擦试验与材料表征分析，本文深入探讨了钨钢合金钻头材料在高温环境下的摩擦学行为与耐磨机制。研究表明，随着温度的升高，钨钢合金的摩擦因数与磨损速率显著增加，材料在高温条件下的磨损行为愈发剧烈，充分说明热环境对其服役性能具有显著影响。合金的组织结构在决定其高温摩擦性能方面起着关键作用，尤其是当 WC 晶粒尺寸适中、钴含量控制在 6% 至 8% 之间时，材料在高温下表现出更优的耐磨性能。此外，高温摩擦过程中材料表面会生成氧化膜，该氧化膜在一定程度上具有润滑作用，有助于降低摩擦，但由于其自身的脆性和不稳定性，易发生破裂，进而形成磨粒，加剧表面磨损，成为影响耐磨性能的关键因素。综合分析可知，钨钢合金在高温摩擦过程中呈现出黏着磨损、磨粒磨损和氧化磨损三种机制共同作用的复合磨损模式，材料耐磨性的提升应从优化组织结构和稳定氧化膜两个方面着手。以上研究结果不仅为钨钢钻头材料在高温环境下的应用提供了理论支持，也为高性能耐磨硬质合金材料的开发与工程化应用奠定了坚实的科学基础。

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