添加氧化鑭WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的組織及性能

董洪峰，　郭從盛，　張鋒剛

(1.陜西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省冶金渣資源化利用工程技術(shù)研究中心， 陜西 漢中 723000)

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添加氧化鑭WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的組織及性能

董洪峰1,2，郭從盛1,2，張鋒剛1

(1.陜西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省冶金渣資源化利用工程技術(shù)研究中心， 陜西 漢中 723000)

硬質(zhì)合金的晶粒度和組織均勻性是制約其性能的關(guān)鍵因素。為了細化晶粒，改善組織，提高合金性能，采用粉末碳化、冷壓燒結(jié)技術(shù)，以W、Co、Ta為原料，La2O3為添加劑，制備WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金，研究添加La2O3對硬質(zhì)合金組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：添加0.2%～0.4% La2O3可抑制WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金組織WC晶粒聚集生長，使組織均勻，WC相鄰接度減小，WC/Co接觸面積增大，提高抗彎強度；當(dāng)La2O3添加量增加到0.6%時，合金組織偏聚，WC晶粒嚴重聚集生長，WC相鄰接度增大，提高了硬質(zhì)合金抵抗顯微金剛石壓頭的刻入能力，增大了顯微硬度。

硬質(zhì)合金；氧化鑭；鄰接度；組織；力學(xué)性能

硬質(zhì)合金[1]是以難熔金屬硬質(zhì)化合物為基體，以金屬為粘結(jié)相，用粉末冶金方法制備的耐高溫、高硬度、高耐磨性材料，廣泛用作切削刀具、沖擊工具、耐磨耐蝕零部件等。目前，硬質(zhì)合金刀具仍然在金屬切削領(lǐng)域占有重要地位，但是在切削過程中容易發(fā)生粘刀和月牙洼磨損等問題[2-3]。張崇才等[4-7]通過在傳統(tǒng)硬質(zhì)合金W-C-Co體系中加入TaC、TiC、NbC等碳化物，提高了合金刀具抗月牙洼磨損和抗刀屑瘤的能力，但上述碳化物添加劑尚未完全解決硬質(zhì)合金高硬度和高斷裂韌性難以同時存在的難題。

晶粒尺寸和組織均勻、連續(xù)性是影響硬質(zhì)合金高溫切削性能的關(guān)鍵因素。黃長庚[8]采用兩種不同的方式，在WC-10Co硬質(zhì)合金中添加Y、Ce元素，研究了Y、Ce及其添加方式對硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)與性能的影響，結(jié)果表明，無論以何種方式添加Y2O3或CeO2，最終制備的硬質(zhì)合金中稀土元素都與氧共存，并以球形顆粒的形式彌散分布于硬質(zhì)合金的粘結(jié)相中，球形、彌散分布的稀土氧化物顆粒會破壞合金結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，導(dǎo)致合金強度降低。劉超等[9]以不同粒徑WC粉、超細Co粉作為原料，通過低壓燒結(jié)制備WC-Co硬質(zhì)合金，研究粗晶WC對WC-Co硬質(zhì)合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，由于粗晶WC的添加，裂紋在擴展過程中出現(xiàn)了明顯的偏轉(zhuǎn)，且穿晶斷裂現(xiàn)象明顯增多，對裂紋的擴展產(chǎn)生一定的阻力，使硬質(zhì)合金的韌性提高。LIN N等[10]研究了Mo、Co添加劑對WC-TiC-Ni硬質(zhì)合金組織、力學(xué)、摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加Mo、Co可細化WC晶粒，提高合金耐磨性。SHI Kai-hua等[11]在研究Cr添加方式對WC-9Ni-2Cr硬質(zhì)合金組織和抗腐蝕性能的影響時指出，Cr單質(zhì)添加劑易產(chǎn)生W、Cr復(fù)合碳化物，弱化界面；若以Cr-Cr3C2復(fù)合形式加入，可強化晶界，提高合金耐腐蝕性。

基于上述研究成果，本文采用粉末碳化、冷壓燒結(jié)技術(shù)，以W、Co、Ta為原料，La2O3為添加劑，制備WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金，研究添加La2O3對WC晶粒分散、細化及合金力學(xué)性能的影響。

1　實　驗

1.1WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金制備

研究使用的La2O3(粒度20 nm，純度99.99%)、Ta(粒度2 μm，純度99.99%)、Co(粒度2 μm，純度99.97%)由北京佳銘鉑業(yè)有限公司生產(chǎn)，W粉(粒度0.8 μm，純度99.7%)由中航工業(yè)陜西硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)。按質(zhì)量比86.3∶1.6∶2.1稱取W、Co、Ta粉，裝入行星球磨機，在氬氣保護下濕磨26 h(磨球為硬質(zhì)合金，球料比5∶1，濕磨介質(zhì)為無水乙醇)。將混合粉烘干后裝入碳氣氛高溫爐中碳化，碳化溫度1 450 ℃，在碳化粉中加入質(zhì)量分數(shù)分別為0.0%、0.2%、0.4%、0.6%的La2O3，裝入行星球磨機，在相同工藝參數(shù)下濕磨16 h。粉末烘干后加入成形劑，裝模后用冷壓機壓制(150 MPa)成20 mm×5 mm×4 mm的坯料，坯料在氫氣高溫管式爐中脫脂(310 ℃)并燒結(jié)成形，燒結(jié)溫度1 430 ℃，保溫1 h，爐冷。

1.2組織及性能檢測

試樣經(jīng)打磨拋光后進行組織及性能檢測。用FM-7000型自動顯微硬度計和AG-10TA型萬能力學(xué)試驗機測量試樣硬度和抗彎強度，利用場發(fā)射掃描電鏡(MERLIN Compact)和波譜儀(WDS)對試樣斷口和摩擦面進行表面形貌觀察和微區(qū)成分分析，用X射線衍射儀(UltimaIV)分析斷口物相。

2　結(jié)果與討論

2.1WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)

圖1和圖2所示為WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的顯微組織SEM照片和波譜面分析(成分分析)結(jié)果。圖1中淺灰色相為WC，深灰色相主要為Co，未添加La2O3的硬質(zhì)合金組織WC相出現(xiàn)聚集長大(黑色虛線框)，晶粒尺寸在0.4～1.5 μm(如圖1(a)所示)，W、C和Co元素面分布不均勻(圖2(a))；添加0.2% La2O3的硬質(zhì)合金組織La、O元素偏聚分布(圖2(b))，一方面阻礙組織晶粒聚集長大，但由于其不均勻分布影響整個燒結(jié)組織的連續(xù)性，造成部分WC晶粒異常長大(圖1(b)組織WC晶粒尺寸在0.4～3.2 μm)；與添加0.2% La2O3的硬質(zhì)合金組織相比，添加0.4% La2O3組織的La、O元素分布較均勻，促進WC晶粒同步生長，使組織晶粒均勻分布，WC晶粒尺寸為0.4～3.3 μm(圖1(c))；當(dāng)La2O3添加量增加到0.6%時，La、O元素嚴重偏聚，惡化硬質(zhì)合金燒結(jié)性能，造成燒結(jié)組織的相分布不均勻，WC晶粒嚴重異常長大(圖1(d))。

圖1　WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的顯微組織SEM照片

圖3所示為WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的XRD圖譜，不同La2O3添加量硬質(zhì)合金組織主要由WC、Co6W6C、Co7W6、TaC和Co相組成，未添加La2O3的硬質(zhì)合金組織增加Co3W相，脫碳Co6W6C相峰值較高，可能是因為局部WC晶粒聚集長大造成燒結(jié)液相增加，WC/Co過度反應(yīng)生成Co6W6C相；添加0.6% La2O3的硬質(zhì)合金組織在衍射角2θ=35.7°的WC純相峰值明顯低于0.0%、0.2%、0.4% La2O3添加量的硬質(zhì)合金組織，可能是因為La2O3的嚴重偏聚使組織過燒(由圖2中La、O元素面分布情況可知)，一部分WC相形成Co-WC固溶體(XRD圖譜未顯示)。

圖2　WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的波譜面分析

2.2WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的晶粒鄰接度和力學(xué)性能

添加La2O3不僅影響WC晶粒長大，也影響WC/WC的鄰接度，進而改變硬質(zhì)合金的力學(xué)性能。硬質(zhì)合金的鄰接度CWC-WC可由式(1)計算[12]：

圖3　WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的XRD圖譜

(1)

式中NC/C為金相面上穿過測量直線的WC/WC界面?zhèn)€數(shù)，NC/B為穿過測量直線的WC/Co界面?zhèn)€數(shù)。計算結(jié)果列于表1。

表1　WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的力學(xué)性能和鄰接度

如表1所示，與未添加La2O3的硬質(zhì)合金相比，添加0.2%～0.4% La2O3的硬質(zhì)合金的鄰接度CWC-WC值較小，這歸因于La2O3的彌散均勻化作用，調(diào)控WC/Co界面的液相燒結(jié)反應(yīng)進程，減小WC晶粒聚集長大；添加0.6% La2O3的硬質(zhì)合金的鄰接度值較未添加La2O3的增大，是因為過多添加La2O3造成組織偏聚，液相燒結(jié)過程中WC/Co界面過度反應(yīng)，WC晶粒聚集長大。

圖4　WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金的斷口形貌

硬質(zhì)合金的鄰接度CWC-WC值表征了WC/WC的接觸面積，若鄰接度CWC-WC值較小，則WC/Co的接觸面積較大。在硬質(zhì)合金中，Co與C形成強烈的共價鍵，Co和W形成強大的金屬鍵，這些鍵比WC中W/C鍵結(jié)合強度更大[12]，即WC/Co的結(jié)合強度比WC/WC結(jié)合強度大，所以降低WC/WC鄰接度可提高硬質(zhì)合金的抗彎強度。由于WC相硬度大于Co相硬度，WC晶粒聚集長大提高了硬質(zhì)合金抵抗顯微金剛石壓頭刻入能力，即增大顯微硬度(表1)。硬質(zhì)合金的鄰接度亦影響其斷裂形式，如圖4所示的WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金斷口形貌，添加0.0%和0.6% La2O3的硬質(zhì)合金的鄰接度較大，增大了WC/WC的接觸面積，斷裂形式主要為脆性的穿晶和沿晶斷裂(圖4(b)、(h))；相反地，添加0.2%和0.4% La2O3的硬質(zhì)合金的鄰接度較小，增大了WC/Co的接觸面積，斷裂形式主要為脆性和韌性混合斷裂(圖4(d)、(f))。

3　結(jié)　論

(1)添加0.2%～0.4% La2O3可抑制WC-11Co-2.1TaC硬質(zhì)合金組織WC晶粒聚集生長，使組織均勻，WC相鄰接度減小，WC/Co接觸面積增大，但并未顯著抑制WC晶粒的異常長大；當(dāng)La2O3添加量增加到0.6%時，組織偏聚，WC晶粒嚴重聚集生長，WC相鄰接度增大。

(2)與未添加La2O3的硬質(zhì)合金相比，添加0.2%～0.4% La2O3的硬質(zhì)合金的鄰接度值較小，調(diào)控WC/Co界面的液相燒結(jié)反應(yīng)進程，減小WC晶粒聚集長大，增加WC/Co界面面積，提高抗彎強度；添加0.0%和0.6% La2O3的硬質(zhì)合金的鄰接度增大，增大了WC/WC的接觸面積，提高了硬質(zhì)合金抵抗顯微金剛石壓頭的刻入能力，增大了顯微硬度。

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[責(zé)任編輯：魏 強]

Microstructure and properties of WC-11Co-2.1TaC cemented carbides by adding La2O3

DONG Hong-feng1,2,GUO Cong-sheng1,2,ZHANG Feng-gang1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000, China;2.Shaanxi Engineering and Technology Center of Metallurgical Slag Resource, Hanzhong 723000, China)

Grain size and even structuring of the hard alloy are the two key elements in its performance. In order to refine the grain and the strucure and improve the performance of the alloy, the WC-11Co-2.1TaC cemented carbides are prepared by powder carbonization and cold compaction sintering process. The W and Co and Ta powder are used as raw materials and La2O3as additive. Its aim is to analysis the effect of La2O3on microstructure and properties of WC-11Co-2.1TaC cemented carbides. The result shows that, the clustered growth of WC grain is restrained by La2O3with mass percent of 0.2%～0.4%, which makes microstructure uniform and contiguity of WC phase decreased, therefore, contact area of WC/Co increase and enhance the bending strength. The microstructure segregation of cemented carbides occur, which can result in the clustered growth of WC grain and contiguity of WC phase increased and lead to the improvement of microhardness.

cemented carbides;La2O3;contiguity;microstructure;mechanical properties

1673-2944(2016)05-0001-05

2016-05-06

2016-06-05

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2015JQ5193)；陜西理工學(xué)院人才啟動項目(SLGQD13(2)-17)

董洪峰(1985—)，男，黑龍江省海倫市人，陜西理工大學(xué)講師，博士，主要研究方向為超硬復(fù)合材料；郭從盛(1958—)，男，陜西省漢中市人，陜西理工大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為金屬材料；張鋒剛(1982—)，男，陜西省寶雞市人，陜西理工大學(xué)講師，博士，主要研究方向為表面工程。

TF125.3

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