不同含量復(fù)式碳化物對細晶硬質(zhì)合金性能的影響

左洪松，欒道成，王正云，李亞軍，秦 琴

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039）

0 前言

細晶硬質(zhì)合金由于具有高硬度，高強度，耐腐蝕，良好的耐磨性等優(yōu)點，一直是理想的用于精加工的刀具材料［1-4］，但硬質(zhì)合金刀具在切削鋼材時容易發(fā)生粘刀和月牙洼磨損等問題［5］。復(fù)式碳化物是硬質(zhì)合金生產(chǎn)中的一種重要原料，是高溫下WC固溶于TiC中或者WC固溶于TiC-TaC（NbC）中得到的固溶體，它具有良好的抗氧化能力［6］。含TaC的復(fù)式碳化物高溫硬度好，能夠提高刀具連續(xù)切削的壽命。向硬質(zhì)合金中添加復(fù)式碳化物不僅可以提高合金的抗氧化能力，而且可以提高合金刀具抗月牙洼磨損和抗刀屑瘤的能力，是改變硬質(zhì)合金性能的一種重要方式［7］。因此，向細晶硬質(zhì)合金中添加復(fù)式碳化物成為一種有益的嘗試，但不同含量的復(fù)式碳化物添加會對硬質(zhì)合金性能產(chǎn)生不同的影響。實驗通過制備含復(fù)式碳化物0，4％，8％，12％的細晶WC-8Co硬質(zhì)合金，研究了不同含量的復(fù)式碳化物對細晶硬質(zhì)合金橫向斷裂強度、硬度、相對密度的影響，并對復(fù)式碳化物對硬質(zhì)合金性能影響的機理進行了討論。

1 實驗

實驗以WC-Co基細晶硬質(zhì)合金為研究對象，選用的復(fù)式碳化物為同時含有TiC和TaC的復(fù)式碳化物粉末，WC粉（自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)），Co粉（深圳格林美生產(chǎn)）。具體參數(shù)如表1所示。

表1 原料粉末的基本參數(shù)

由于實驗所選用的復(fù)式碳化物顆粒較粗，為制得細晶的復(fù)式碳化物粉末，先將復(fù)式碳化物在球磨罐中預(yù)磨24h，然后開罐將WC，Co和成型劑等一起加入，進行行星球磨。為防止WC粉末在燒結(jié)過程中長大，加入了質(zhì)量分數(shù)為0.3％的VC和0.7％的Cr3C2作為晶粒長大抑制劑，將粉末按表2所示分配比計量后，加入2％的石蠟為成型劑，按20mL/100g比例的加入乙醇作為研磨介質(zhì)，濕磨48h，干燥，制粒。在200MPa的壓力下壓制成B試樣，在真空燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。由于Co對復(fù)式碳化物的潤濕性不佳，故將燒結(jié)溫度定為1 390℃，保溫1h。燒結(jié)后，采用阿基米德法則測定試樣的密度，并計算相對密度；根據(jù)GB/T3849.2-2010測定硬質(zhì)合金的洛氏硬度；根據(jù)GB3851-83測試試樣的橫向斷裂強度。合金試樣用FeCl3與濃鹽酸的飽和溶液腐蝕后用INSPECTF50型掃描電鏡觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)。

表2 4組試樣的成分 w/％

2 結(jié)果與討論

2.1 組織結(jié)構(gòu)分析

圖1為復(fù)式碳化物含量0、4％、8％、12％的4個WC-8Co細晶合金試樣在1 390℃真空燒結(jié)后的組織SEM照片，照片中觀察到了明暗兩種相，為了分辨兩種相的成分，我們選取c號樣的一小片區(qū)域進行了直線EDS分析，EDS分析結(jié)果如圖2。從圖2可知，當(dāng)電子束經(jīng)過黑色區(qū)域時，Ti和Ta的含量增加而W的含量下降，由此可推測，照片中較亮的部分為WC顆粒，較暗的部分為復(fù)式碳化物顆粒。從圖1中我們不難發(fā)現(xiàn)，圖1a中是純WC基體，圖1b-d中復(fù)式碳化物逐漸增多且分布較為均勻。且4個試樣中均觀察到了孔洞。

圖1 4組試樣的SEM照片

圖2 c試樣EDS掃描圖

圖3分別為4組試樣斷口的SEM照片，從圖中可以看出，4個試樣中的顆粒均較細，且較均勻。從圖3中我們可以看出，雖然合金中有個別粗大的（W，Ti，Ta）C和WC顆粒存在，但合金粒度已經(jīng)達到了細晶的水平。所以采用復(fù)式碳化物預(yù)磨，混合料高能球磨的方法能夠制得含復(fù)式碳化物的細晶硬質(zhì)合金。

圖3 試樣斷口SEM照片

2.2 性能分析及討論

經(jīng)測試得到4組復(fù)式碳化物含量不同的細晶合金的硬度和相對密度如圖4。從圖中我們可以看出，合金的硬度值隨復(fù)式碳化物含量的增多而提高，但相對密度卻逐漸下降。含復(fù)式碳化物12％（質(zhì)量分數(shù)）的細晶合金硬度達到了93.6HRA，但相對密度卻只有99.2％。

復(fù)式碳化物是一種脆硬相，它的加入能夠提升合金的硬度，與實驗結(jié)果相符，如圖4所示。

圖4 合金的硬度和相對密度的變化

但在相同的燒結(jié)溫度下，Co對復(fù)式碳化物的潤濕性比WC差很多［8］。在液相燒結(jié)過程中，復(fù)式碳化物相對于WC而言更難以致密化，易形成孔洞［9］。由于本實驗仍然采用真空燒結(jié)，故合金中的空隙孔隙難以消除。由于4種試樣均在同一溫度下燒結(jié)，故而含復(fù)式碳化物多的合金更加難以致密，表現(xiàn)為相對密度低。如圖4所示，合金的相對密度隨復(fù)式碳化物的增多而下降。

含復(fù)式碳化物量不同的合金的橫向斷裂強度見圖5。從圖中可知未添加復(fù)式碳化物的合金的橫向斷裂強度最高，達到了2 240MPa，且TRS隨復(fù)式碳化物含量的增加而下降，且下降的幅度較大。添加12％復(fù)式碳化物的合金的橫向斷裂強度為1 480MPa。

圖5 4組試樣的橫向斷裂強度

復(fù)式碳化物對于合金強度影響可以歸結(jié)為以下幾個方面：（1）復(fù)式碳化物的脆硬性使得合金的脆性增加，韌性下降。且實驗所采用的復(fù)式碳化物粒度較粗，雖然經(jīng)過預(yù)磨處理，仍難以保證個別粗大的復(fù)式碳化物顆粒的存在，如圖3。日本學(xué)者鈴木壽認為，硬質(zhì)合金的強度取決于無缺陷組織基體的理論強度和斷裂源的大小和位置［10］。個別粗大的復(fù)式碳化物顆?；蛘邚?fù)式碳化物顆粒在局部偏聚，會使得局部的強度降低成為斷裂源，從而使合金的橫向斷裂強度降低。（2）復(fù)式碳化物對Co的低潤濕性使得合金孔隙度提高?？紫妒怯操|(zhì)合金中的一類嚴重缺陷，它能夠造成應(yīng)力集中，顯著降低合金的強度。（3）復(fù)式碳化物的低潤濕性還表現(xiàn)為合金粘結(jié)相黏結(jié)強度的降低，尤其是當(dāng)復(fù)式碳化物的含量較高時，這種現(xiàn)象尤為明顯。綜上所述，復(fù)式碳化物的添加顯著降低了細晶硬質(zhì)合金的強度。

3 結(jié)論

（1）采用復(fù)式碳化物預(yù)磨，混合料行星球磨然后真空燒結(jié)的方法，能夠制得含復(fù)式碳化物的細晶硬質(zhì)合金。

（2）復(fù)式碳化物的添加顯著地降低了合金的橫向斷裂強度和相對密度，但提高了合金的硬度。

（3）在真空燒結(jié)和Co含量為8％的條件下，細晶硬質(zhì)合金中復(fù)式碳化物的含量不宜超過12％（質(zhì)量分數(shù)）。當(dāng)合金中的復(fù)式碳化物達到12％時，合金的相對密度和橫向斷裂強度均較低，基本失去了細晶合金高強度的優(yōu)點。

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