加工参数对粉末冶金法制备的回收LCS/WC–Co双层材料界面结合与性能的影响

把废金属变成坚韧的新工具

现代工业依赖于既极为坚硬又抗断裂的切削和钻探工具。与此同时，工厂会产生大量金属屑，通常作为低价值废料处理。本研究探讨如何将这些废钢屑转化为一种新型双层材料的基体，将回收钢与超硬涂层结合，可能为制造商提供更耐用的工具，同时降低成本与废弃物。

构筑双层金属夹心结构

研究者着手制造一种由韧性基底与极硬顶层组成的“金属夹心”。基底为回收的低碳钢，来自数控切削产生的加工屑；顶层为硬质合金WC–Co，这种材料因在高温下仍保持硬度和耐磨性而广泛用于钻头和刀片。将这两层结合成一个整体制件，旨在把钢的韧性与硬质合金的切削能力相结合，同时在主体材料中采用廉价回收料。

将粉末成形并烧结为致密零件

研究团队没有采用熔化金属的方法，而使用粉末冶金：将细粉压成形后加热使其结合。他们首先清洗并研磨废钢屑成不同粒度的粉末，并制备相应的WC–Co粉末。这些粉末在模具中堆叠，使钢位于下层、硬质合金位于上层。通过不同压力压制得到生坯，然后在1260 °C到1340 °C之间以受控方式加热。加热过程中，硬质合金层中钴周围会形成一薄层液相，促使其略微流动并与钢结合。

寻找强结合的最佳参数

一个核心挑战是钢与硬质合金在加热和冷却时的膨胀、收缩和致密化速率不同。如果温度太低，粉末不能充分致密，留下孔隙和薄弱点；温度太高则可能因收缩不匹配导致层间剥离。通过系统地改变粒度、压制力和烧结温度，并测量密度、内部空洞及尺寸变化，研究者确定了一个狭窄的工艺窗口。在1300 °C、采用最细粉末（约25微米）且最高压制压力（313兆帕）时，两层的收缩更为协调，孔隙闭合，得到致密且界面间隙或裂纹最小的制件。

观察看不见的结合面

为观察钢与硬质合金的结合情况，团队使用了光学与电子显微镜、X射线衍射与X射线微区分析。在最佳工艺下，他们观察到一条薄而连续的过渡带，无明显空隙。化学分析表明，钢中的铁原子向硬质合金层扩散，硬质合金中的钴向钢层迁移。这些原子交换形成了新的混合相，像显微层面的“胶水”将两层粘接在一起。硬度从钢侧到合金侧逐渐增加，表明存在平滑的力学梯度，而非突然且脆弱的界面。

新材料的强度与硬度表现

力学试验采用径向压碎盘状样件直到两层剥离。在最佳工艺条件下，双层材料在界面破坏前能承受较高载荷，对应的压缩结合强度约为209兆帕，拉伸结合强度约为44兆帕。钢侧表面硬度因与合金相互作用由约110提升到约150维氏，而硬质合金层仍保持接近660维氏的高硬度，足以应对苛刻的耐磨应用。尽管硬质合金在与铁反应时牺牲了部分硬度，但整体的硬度与韧性平衡得到了改善。

对现实工具应用的意义

通俗地说，研究者展示了如何用相对简单的压制和加热步骤，将废弃钢屑和常规合金粉末制成牢固结合的双层构件。通过微调粒度、压制压力和烧结温度，他们实现了可与或优于许多先前报道的金属—硬质合金组合相媲美的无裂缝强连接。这一方法可帮助刀具制造商和其他行业生产耐用、耐磨的零件，同时降低材料成本，为金属废料赋予更有价值的第二生命。

引用: Abdelhaleem, M., El-Daly, A., Elkady, O. et al. Impact of processing parameters on the interfacial bonding and properties of recycled LCS/WC–Co bilayers developed through powder metallurgy. Sci Rep 16, 9223 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-26946-6

关键词: 回收钢, 粉末冶金, 硬质合金, 双层复合材料, 刀具材料