粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金的工藝研究進(jìn)展

譚 征

(中南大學(xué)粉末冶金研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

硬質(zhì)合金是由粘結(jié)金屬與難熔金屬通過(guò)粉末冶金的方法合成的復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于鑿巖工具、采掘工具、鉆探工具、測(cè)量工具、沖壓模具、高速高精度切削車刀、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件、金屬陶瓷材料等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外為了讓W(xué)C-Co類硬質(zhì)合金滿足制造業(yè)的發(fā)展需要，越來(lái)越關(guān)注粗晶粒WC-Co硬質(zhì)合金，并對(duì)其生產(chǎn)及其性能方面進(jìn)行了大量研究。

1 粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金性能的影響因素

對(duì)于粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金在使用過(guò)程中，服役環(huán)境有時(shí)候特別復(fù)雜，總的來(lái)說(shuō)要求粗晶硬質(zhì)合金滿足高硬度、高耐磨、高韌性及耐腐蝕性等。而燒結(jié)制度、球磨工藝、配碳量、添加劑等都會(huì)影響粗晶硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)及性能。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了大量研究。

1.1 碳含量

碳含量是合金質(zhì)量的生命線，合金的性能對(duì)其特別敏感，即使在正常相區(qū)范圍內(nèi)，他的微量變化也會(huì)引起合金的性能發(fā)生變化。周新華等［1］研究了碳含量對(duì)粗晶硬質(zhì)合金的影響，結(jié)果表明:碳含量會(huì)顯著影響粗晶硬質(zhì)合金的金相組織，在一定范圍內(nèi)粗晶硬質(zhì)合金的WC晶粒會(huì)隨著碳含量的增加先增加，然后又降低。非化合碳隨碳含量增加而出現(xiàn)石墨相，且越來(lái)越嚴(yán)重;一定范圍內(nèi)，隨著碳含量的增加，硬質(zhì)合金的硬度與耐磨性會(huì)降低，韌性與抗彎強(qiáng)度會(huì)得到提高，并且在碳含量增加到出現(xiàn)滲碳以后，抗彎強(qiáng)度及沖擊韌性會(huì)顯著降低。

龍?jiān)桑?］對(duì)不同碳含量給合金的組織成分及綜合性能帶來(lái)的影響進(jìn)行了重點(diǎn)研究。研究結(jié)果顯示:碳含量的波動(dòng)將會(huì)改變硬質(zhì)合金的組織，碳含量偏低，合金組織脫碳形成相;碳含量偏高，合金會(huì)因?yàn)橛坞x碳的增加而形成石墨相。這種組織成分的變化使得合金的密度發(fā)生變化，隨著碳含量的增加，會(huì)相應(yīng)的降低合金密度;合金中的碳含量也會(huì)顯著影響合金的晶粒度，隨著碳含量的增加，合金的晶粒度增大;合金的抗彎強(qiáng)度與沖擊韌性在某個(gè)含碳量會(huì)出現(xiàn)峰值。他指出合金試樣組織必須保持在正常的WC+T兩相區(qū)，才能獲得良好硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，脫碳、滲碳都將對(duì)合金的綜合力學(xué)性能造成不利影響。

1.2 燒結(jié)工藝

粉末燒結(jié)過(guò)程中，溫度和時(shí)間的控制對(duì)產(chǎn)品性能有著特別重要的影響。莫盛秋等［3］在研究真空燒結(jié)低鈷粗晶硬質(zhì)合金及其性能時(shí)，重點(diǎn)研究了真空燒結(jié)溫度、時(shí)間和真空度等對(duì)燒結(jié)成的粗晶硬質(zhì)合金物理機(jī)械性能的影響。燒結(jié)溫度對(duì)合金性能的影響見表1。隨著燒結(jié)溫度的升高，合金密度有增加的趨勢(shì)，但在不同溫度區(qū)間內(nèi)，密度的增加速度顯著不一樣。當(dāng)燒結(jié)溫度增加到一定值的時(shí)候，合金的密度基本不變;在一定范圍內(nèi)延長(zhǎng)燒結(jié)保溫時(shí)間有利于合金性能的改善，但保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，合金性能不僅沒(méi)有提高，甚至有所下降，見表2。

在一定真空度范圍內(nèi)(100～200 MPa)，燒結(jié)合金的性能變化不大，若真空度過(guò)低，合金的密度顯著升高，硬度與抗彎強(qiáng)度會(huì)明顯降低。

張正富等［4］發(fā)現(xiàn)燒結(jié)工藝是影響沖擊韌性的主要因素，在合適的燒結(jié)工藝下，合金顯微組織中無(wú)明顯的氣孔，并且鈷粘結(jié)相分布相對(duì)均勻。適當(dāng)提高燒結(jié)溫度有利于改善合金的顯微組織結(jié)構(gòu)，如合金的氣孔等缺陷會(huì)減少，鈷相也會(huì)分布更均勻，WC晶粒會(huì)發(fā)育的更完整，能提高合金的沖擊韌性和硬度［5］。

表1 燒結(jié)溫度對(duì)合金性能的影響

表2 燒結(jié)保溫時(shí)間對(duì)合金性能的影響

1.3 球磨工藝

球磨工藝的選擇對(duì)合金性能的影響也起著至關(guān)重要的影響。近年來(lái)，針對(duì)粗晶粒硬質(zhì)合金生產(chǎn)過(guò)程中球磨工藝的研究越來(lái)越多。

周新華等［6］采用費(fèi)氏粒度為25 μm的WC為原料，研究了不同球磨時(shí)間對(duì)粗晶硬質(zhì)合金性能的影響。研究表明:球磨時(shí)間對(duì)密度和鈷磁影響不大，隨著球磨時(shí)間增加，密度和鈷磁變化不明顯。而磁力、硬度和抗彎強(qiáng)度會(huì)隨著球磨時(shí)間增加而增加，但增加幅度越來(lái)越小;不同球磨時(shí)間對(duì)合金試樣的金相組織也會(huì)產(chǎn)生影響。球磨22 h的WC試樣，晶型完整、均勻性最好，球磨16，18，20 h的試樣金相組織中粗大晶粒未磨碎，晶界不明顯，超過(guò)24 h的試樣金相組織中細(xì)小晶粒和粗大晶粒明顯增多，結(jié)構(gòu)不均勻的趨勢(shì)也比較明顯。在一定球磨時(shí)間范圍內(nèi)，壓痕裂紋長(zhǎng)度會(huì)隨著球磨時(shí)間的增加先減少后增加。

張正富［4］18，郭圣達(dá)［5］72等分析研究了粗晶硬質(zhì)合金的硬度和強(qiáng)度影響因素，發(fā)現(xiàn)球磨時(shí)間是影響合金硬度非常重要的因素，但其影響程度較鈷含量對(duì)合金硬度的影響程度低。球磨球料比與燒結(jié)溫度及粘結(jié)相成分交互作用對(duì)合金強(qiáng)度有著決定性影響。

由此知，球磨工藝對(duì)粗晶粒硬質(zhì)合金性能以及微觀組織結(jié)構(gòu)有著顯著的影響。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂魄蚰スに?，可以得到同時(shí)具有高硬度與高韌性的粗晶硬質(zhì)合金。

1.4 添加劑

由于添加劑在WC-Co硬質(zhì)合金中可以起到調(diào)整WC晶粒度及改善合金耐腐蝕能力的作用，添加劑對(duì)粗晶硬質(zhì)合金微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的研究是質(zhì)量改進(jìn)與新產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)外開始對(duì)此進(jìn)行了許多研究。近年來(lái)，為了改粗晶硬質(zhì)合金的微觀組織及使用性能，開始有研究往合金中添加微量化學(xué)元素，如 Na、Li、P、Cr、V、Re 等。

張立等［7］研究了 Cr、V、RE 添加劑對(duì)特粗晶與超粗晶硬質(zhì)合金微觀組織與性能的影響。他們利用特粗晶與超粗晶硬質(zhì)合金粗大粘結(jié)相平均自由程以及粗大WC原料粉末特性，研究單一Cr、V以及Cr-Re添加劑對(duì)特粗晶與超粗晶WC-Co合金微觀組織結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能以及合金中Co粘結(jié)相納米壓痕力學(xué)性能的影響。并指出Cr的加入可使合金保持微觀組織結(jié)構(gòu)均勻、WC晶粒粗大以及高韌性的特性，并且可以提高Co粘結(jié)相的納米壓痕硬度;V的加入使合金中WC晶粒大小出現(xiàn)明顯兩極分化，并顯著降低其韌性;微量混合稀土對(duì)V，Cr在合金中的作用行為影響不明顯;合金的矯頑磁力、硬度以及Co粘結(jié)相彈性模量對(duì)合金成分變化不敏感。

1.5 熱處理

對(duì)于粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金，由于Co能夠發(fā)生固態(tài)相變，因此在其生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)熱處理來(lái)改變硬質(zhì)合金粘結(jié)相成分、結(jié)構(gòu)及分布狀態(tài)，從而強(qiáng)化合金整體，以提高粗晶硬質(zhì)合金的整體性能。

陳鑫等［8］研究了熱處理對(duì)粗晶硬質(zhì)合金力學(xué)性能的影響，他們以WC-Co硬質(zhì)合金為研究對(duì)象，通過(guò)納米壓痕、大載荷維氏硬度測(cè)試等分析手段，研究了粗晶硬質(zhì)合金在熱處理過(guò)程中粘結(jié)相力學(xué)性能以及合金整體力學(xué)性能的變化。發(fā)現(xiàn)熱處理對(duì)粗晶WC-Co硬質(zhì)合金粘結(jié)相的硬度有提高作用，淬火對(duì)合金粘結(jié)相硬度的提高作用較大，而隨后的深冷處理與回火處理對(duì)合金粘結(jié)相的硬度影響不大;熱處理能夠讓硬質(zhì)合金的總體硬度提高，并且淬火的作用最顯著，而深冷處理與回火對(duì)合金總體硬度改善作用不明顯;合金的Palmqvist斷裂韌性在熱處理之后也有明顯的改善。

2 結(jié)語(yǔ)

粗晶粒WC-Co類硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，需求量也在飛速增加，具有特別廣闊的市場(chǎng)前景。對(duì)優(yōu)質(zhì)粗晶WC粉的制備以及粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與性能影響因素的研究已經(jīng)成為世界范圍的研究熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)針對(duì)粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響因素進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的研究成果。在粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，碳含量、燒結(jié)工藝、球磨工藝、合金元素、熱處理等都會(huì)在一定程度上影響合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能。其研究發(fā)現(xiàn)碳含量會(huì)影響合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，也會(huì)影響合金的硬度、耐磨性、韌性及抗彎強(qiáng)度等;鈷含量、球磨時(shí)間是影響合金硬度的主要因素;燒結(jié)工藝、球磨工藝和粘結(jié)相成分配比是影響合金強(qiáng)度的主要因素;熱處理可以改變硬質(zhì)合金粘結(jié)相成分、結(jié)構(gòu)以及分布狀態(tài)而使合金整體強(qiáng)化，提高硬質(zhì)合金整體性能等。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金各方面所進(jìn)行的研究，雖然取得了一些成就，但是為了更好的滿足機(jī)械采掘設(shè)備和中大孔徑鉆具用礦用硬質(zhì)合金、鑿巖工具、采掘工具、鉆探工具等領(lǐng)域?qū)Υ志C-Co類硬質(zhì)合金的需求，還需要更努力的對(duì)粗晶WC-Co類硬質(zhì)合金進(jìn)行更多的研究。

［1］周新華，王力民，趙聲志，等.碳含量對(duì)粗晶硬質(zhì)合金性能的影響［J］.硬質(zhì)合金，2009，26(20):82 －86.

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［6］周新華，王力民.球磨時(shí)間對(duì)粗晶硬質(zhì)合金性能的影響［J］.硬質(zhì)合金.2008，25(1):23－27.

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