微波燒結(jié)YG12硬質(zhì)合金脫碳的控制

張浩澤，易健宏，2，鮑 瑞，婁 靜

（1.中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明，650031；3.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南 株洲，412008）

微波燒結(jié)是當(dāng)前粉末冶金領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一，它具有體積加熱、選擇性加熱以及非熱效應(yīng)等傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)所不具備的本質(zhì)特性，表現(xiàn)出燒結(jié)周期短、能量利用效率高以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中有巨大的應(yīng)用前景［1］。

微波燒結(jié)在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用由程吉平［2］于1991年提出，隨后Gerdes等人［3-4］采用W、C、Co粉末，通過微波反應(yīng)燒結(jié)制備了WC-6Co硬質(zhì)合金，該合金晶粒細(xì)小、組織均勻、硬度較常規(guī)燒結(jié)高出10％。Breval等人［5］通過微波燒結(jié)和常規(guī)燒結(jié)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為微波燒結(jié)合金中W幾乎不溶于Co而常規(guī)燒結(jié)的合金中有20％的W溶于Co，同時(shí)微波燒結(jié)合金的力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)燒結(jié)合金。周?。?］通過TE103單模腔純電場(chǎng)、純磁場(chǎng)及電、磁混合場(chǎng)的WC-10Co的燒結(jié)，得出低溫段（＜1 100℃）磁導(dǎo)損耗占主導(dǎo)地位，在高溫段磁損耗對(duì)能量的貢獻(xiàn)很微弱，電場(chǎng)起主導(dǎo)作用，若采用混合場(chǎng)則有少量脫碳相W2C生成。羅述東［7］對(duì)WC-11.5Co硬質(zhì)合金的升溫速率進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在10.4～61.9℃/min的速率范圍內(nèi)升溫，對(duì)合金的組織和性能均無明顯影響。

但目前鮮有文獻(xiàn)報(bào)道微波條件下硬質(zhì)合金控碳的問題，碳含量對(duì)硬質(zhì)合金的相組成和性能有極大影響［8］，在硬質(zhì)合金燒結(jié)過程中，碳含量影響硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度和燒結(jié)過程中產(chǎn)生的液相量，因此碳對(duì)硬質(zhì)合金中WC晶粒長(zhǎng)大起著舉足輕重的作用；另外，能否得到正常組織，碳含量也是決定因素：碳含量過低會(huì)出現(xiàn)硬脆相η，而碳含量過高則會(huì)出現(xiàn)石墨相，無論是前者還是后者都會(huì)顯著影響合金的力學(xué)性能［9］。以下主要探討微波燒結(jié)WC-Co硬質(zhì)合金過程中脫碳的控制。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)原料采用廈門金鷺特種合金有限公司生產(chǎn)的YG12（87.5％WC+12.5％Co）混合料粉（總碳含量5.31％，氧含量0.17％），其中WC粉末費(fèi)氏粒度為1～5μm，Co粉費(fèi)氏粒度0.8～1.0μm，在原料中添加1.8％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）石蠟作為成型劑。作者設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分別通過在混合料中增加炭黑和在填料中添炭黑兩種方式來抑制合金脫碳。其中：將在混合料中添加炭黑的試樣標(biāo)定為1#、2#、3#、4#號(hào)，混合料中添加炭黑的質(zhì)量百分比分別為0％、0.2％、0.4％、0.6％；而將在填料中添炭黑試樣標(biāo)定為5#、6#、7#號(hào)，均勻混入Al2O3填料粉末中炭黑的質(zhì)量百分比分別為2.5％、4.5％、6.5％。粉末壓制成35mm×6mm×6mm的壓坯，壓坯預(yù)先在硅矽棒爐中流動(dòng)H2脫脂，再轉(zhuǎn)入頻率為2.45GHz的多模腔微波爐（MW-L0616V，Changsha，Syno-ThermCo）中進(jìn)行燒結(jié)。采用SiC作為輔助加熱材料，Al2O3纖維為保溫材料，燒結(jié)氣氛為N2，采用紅外測(cè)溫模式，整個(gè)過程升溫速率約25℃/min，燒結(jié)溫度為1 400℃，并在燒結(jié)溫度保溫10min。

1.2 性能檢測(cè)及表征

通過阿基米德排水法測(cè)定材料的密度；采用美國Instron3369材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣的抗彎強(qiáng)度；材料經(jīng)腐蝕劑（200g/L氫氧化鈉和200g/L鐵氰化鉀1：1的配比混合液）腐蝕后，運(yùn)用MeF3A光學(xué)顯微鏡觀察其金相組織；使用Nova Nano SEM 230場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行材料的斷口分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波燒結(jié)WC-Co合金中的脫碳現(xiàn)象及成因

1#試樣經(jīng)過粗磨、精磨和拋光后在低倍光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行金相組織檢測(cè)，如圖1（a）所示僅存在少量A02孔隙。試樣腐蝕后如圖1（b）所示有脫碳組織η的出現(xiàn)，脫碳相的形成會(huì)嚴(yán)重影響合金的力學(xué)性能，1#試樣的抗彎強(qiáng)度僅為1 573MPa。

圖1 1#試樣金相照片

盡管微波燒結(jié)前對(duì)爐腔抽真空后充入N2作為保護(hù)氣氛，但是物料吸附的氧和以表面氧化膜形態(tài)存在的氧，在升溫階段與壓坯中的碳（化合碳和游離碳）反應(yīng)生成CO，導(dǎo)致合金脫碳。硬質(zhì)合金常規(guī)燒結(jié)使用石墨舟皿或爐腔內(nèi)存在石墨發(fā)熱原件，石墨的存在使?fàn)t腔內(nèi)燒結(jié)碳勢(shì)在高溫得以增強(qiáng)。然而，石墨和微波有很強(qiáng)的耦合能力［10］，容易吸收微波能量而迅速升溫改變溫度場(chǎng)，因此微波燒結(jié)常采用低介電損耗的氧化鋁材料作為保溫構(gòu)件和填料，有文獻(xiàn)［11］指出氧化鋁在高溫下具有脫碳性，使用氧化鋁材料降低了燒結(jié)腔碳勢(shì)。再者，微波燒結(jié)爐內(nèi)不存在可以消耗氧和水蒸氣的石墨原件，爐內(nèi)殘存的氧和水蒸氣消耗的碳均來自實(shí)驗(yàn)樣品，提高了樣品在燒結(jié)過程中脫碳的可能性。周?。?］在單模腔的混合場(chǎng)中燒結(jié)WC-10Co發(fā)現(xiàn)有少量W2C生成，認(rèn)為W2C的生成與微波場(chǎng)加劇了W和C在Co中的溶解不平衡有關(guān)，而W2C的存在有利于η相的形成。鑒于上述原因，實(shí)驗(yàn)采用了在混合料中添加炭黑和提高燒結(jié)腔碳勢(shì)的方法來抑制脫碳相的生成。

2.2 混合料中添加炭黑

為了防止合金中生成η相，實(shí)驗(yàn)中在濕磨時(shí)向YG12混合料中添加了不同含量的炭黑。由圖2可見在未添加炭黑或添加少量炭黑時(shí)，合金的密度較高而抗彎強(qiáng)度較低，隨炭黑添加量的增加合金的密度逐漸降低而合金的抗彎強(qiáng)度先逐漸提高最后降低。炭黑添加量較少時(shí)，合金中由于有η相的生成，消耗了密度較低的Co，同時(shí)γ相中的W含量增加，致使合金密度測(cè)量值較高，繼續(xù)提高炭黑添加量時(shí)合金中出現(xiàn)游離石墨使合金密度減?。煌瑫r(shí)η相為脆硬相，η相的生成降低了合金的韌性，抵消了W溶在γ相中固溶強(qiáng)化的效果使得合金的抗彎強(qiáng)度降低。而隨著炭黑添加量的增加η相隨之減少至消失，當(dāng)炭黑添加量為0.4％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，合金的抗彎強(qiáng)度提高到2 250MPa；而炭黑添加量為0.6％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，合金中因出現(xiàn)游離石墨使得合金抗彎強(qiáng)度降低。

圖2 原料添加炭黑量與合金密度和抗彎強(qiáng)度關(guān)系曲線

如圖2所示，微波條件下脫碳對(duì)合金力學(xué)性能造成不利影響，在混合料中增加炭黑提高了微波燒結(jié)合金的抗彎強(qiáng)度，但并沒有大幅提高。究其原因可能是：（1）混合料添加炭黑量受壓坯含氧量和燒結(jié)氣氛的雙重影響，而難以精確定量控制；（2）炭黑比重較小，在濕磨過程中難以均勻分散，易產(chǎn)生偏析，而偏析相作為裂紋源將降低合金性能；（3）壓坯在轉(zhuǎn)移過程中由于氧化和吸附致使壓坯表層的氧含量高于芯部，在混合料中添加炭黑未能較好地解決表層和芯部因氧含量不同，造成脫碳程度存在差異的問題；（4）炭黑和微波具有很強(qiáng)的耦合能力，試樣中的炭黑和微波耦合升溫后擴(kuò)散能力提高，試樣表層中的碳向填料中擴(kuò)散，試樣表層脫碳仍然沒有得到徹底解決。

2.3 提高燒結(jié)空間碳勢(shì)

通過在填料中添加不同含量的炭黑，提高燒結(jié)過程中燒結(jié)腔的碳勢(shì)。隨填料中炭黑含量的增加，合金的密度平緩下降，抗彎強(qiáng)度顯著提高（見圖3）。當(dāng)在填料中添加2.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的炭黑時(shí)合金的抗彎強(qiáng)度為2 220MPa；當(dāng)添加4.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的炭黑時(shí)，合金的抗彎強(qiáng)度提高到3 172MPa。6#試樣經(jīng)腐蝕后在低倍光學(xué)顯微鏡下觀察沒有發(fā)現(xiàn)脫碳組織的出現(xiàn)，可見填料添炭有效抑制了合金脫碳。填料添加炭黑的方法提高了合金的抗彎強(qiáng)度的可能原因是：在Al2O3填料中均勻混合一定量的炭黑后，炭黑顆粒與微波耦合而升溫，增加了燒結(jié)腔的碳勢(shì)，并防止了填料造成脫碳，降低了燒結(jié)環(huán)境中殘存的氧和水蒸氣造成對(duì)試樣脫碳的可能性；其次，填料添加炭黑還有一定的滲碳作用，壓坯在轉(zhuǎn)移過程中不可避免的先從表層氧化，表層吸附的氧和氧化膜較芯部高，樣品在燒結(jié)過程中表層脫碳較芯部嚴(yán)重，環(huán)境中的碳向試樣表層擴(kuò)散，合金表層的碳得到補(bǔ)充而減少脫碳相生成；同時(shí)炭黑顆粒與微波耦合后作用疊加使燒結(jié)腔體變?yōu)橐粋€(gè)等熱空間，提高了燒結(jié)腔溫度場(chǎng)的均勻性，補(bǔ)償了樣品向環(huán)境散熱造成的熱量損失，防止試樣因受熱不均造成的變形。而當(dāng)在填料中添加6.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的炭黑時(shí)，合金的抗彎強(qiáng)度有所下降，在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)合金表層組織中出現(xiàn)石墨相，微波與炭顆粒耦合后碳的擴(kuò)散能力提高，大量的碳擴(kuò)散至樣品使表層析出石墨相，合金的抗彎強(qiáng)度降低為2 831MPa，石墨相的析出也是造成合金密度下降的原因。

圖3 填料添加炭黑量與合金密度和抗彎強(qiáng)度關(guān)系曲線

1#試樣和6#試樣斷口的FESEM照片見圖4。1#試樣的斷裂方式是WC-WC、WC-Co的界面開裂為主，同時(shí)也存在少數(shù)的WC晶粒解理斷裂。1#試樣腐蝕后發(fā)現(xiàn)有脫碳組織的出現(xiàn)，η相的晶坯一般沿WC-γ相界并以WC晶粒表面為異質(zhì)核心而成核［12］，晶界本身是高位錯(cuò)密度區(qū)域，是原子鍵合力薄弱的環(huán)節(jié)，硬脆相η在晶界處形核長(zhǎng)大，當(dāng)承受外載力時(shí)形成裂紋核，使合金容易沿晶界發(fā)生脆性破壞，沿晶脆性斷裂屬于一種低能的吸收過程，因此，1#試樣測(cè)得的抗彎強(qiáng)度值較低。6#試樣斷裂方式以WC晶粒的穿晶解理和粘結(jié)相的延性撕裂為主，由圖4（b）可以看到明顯的河流花樣解理階，解理階的形成需要消耗較大的塑性功，同時(shí)由于粘結(jié)相的延性撕裂致使部分WC晶粒有拉拔的傾向，因此6#試樣具有較高的抗彎強(qiáng)度。

圖4 試樣的斷口形貌照片

3 結(jié)論

（1）WC-Co合金在微波條件下燒結(jié)，在沒采用在混合料中添加炭黑和在填料中添加炭黑時(shí)，會(huì)造成WC-Co合金一定程度的脫碳。

（2）在混合料中增加炭黑可以抑制合金中η相的生成，使合金的性能得到提高，當(dāng)添加0.4％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的炭黑時(shí)合金的抗彎強(qiáng)度提高到2250MPa。

（3）采用在填料中添炭黑的方法提高了燒結(jié)腔碳勢(shì)，有效抑制了合金的脫碳，當(dāng)在填料中添加4.5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的炭黑時(shí)，合金的抗彎強(qiáng)度顯著提高到3 172MPa。微波燒結(jié)周期短、能量利用效率高以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中具有較好的應(yīng)用前景。

［1］Bykov Y V，Rybakov K I，Semenov V E.High-temperaturemicrowave processing ofmaterials［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2001，34：55.

［2］程吉平.陶瓷材料微波燒結(jié)技術(shù)的研究［D］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)，1991.

［3］Gerdes T，Porada M W.Microwave sintering ofmetal-ceramic and ceramic-ceramic composites［J］.Mater Res Soc Symp Proc 1994，347：531–537.

［4］Rodiger K，Dreyer K，Gerdes T，et al.Microwave sintering of hardmetals［J］.Int J Refract Metals Hard Mater，1998，16：409-416.

［5］Breval E，Cheng J P，Agrawal D K，et al.Comparison betweenmicrowave and conventional sintering of WC/Co composites［J］.Materials Science and Enginnering A，2005，291：285-295.

［6］周 健，全 峰，劉偉波，等.微波單模腔燒結(jié)WC-10Co硬質(zhì)合金的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（12）：1-4.

［7］羅述東，易健宏，彭元東.微波燒結(jié)硬質(zhì)合金工藝的升溫速度分析［J］.稀有金屬材料與工程，2010，39（5）：820-823.

［8］牟 哈ИМ.小批量生產(chǎn)硬質(zhì)合金［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［9］錢開友，王興慶，何寶山，等.碳含量對(duì)納米硬質(zhì)合金組織和性能的影響［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，8（5）：434.

［10］劉韓星，歐陽世翕.無機(jī)材料微波固相合成方法與原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［11］王茂青.氣壓燒結(jié)硬質(zhì)合金性能的研究［J］.硬質(zhì)合金，1998，15（4）：217.

［12］馬淳安，褚有群，黃 輝，等.WC-Co硬質(zhì)合金的相組成及其相變［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31（1）：4.