VC含量對WC-12%Co硬質(zhì)合金性能的影響

韓小偉，夏小群

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，廣東深圳518000；2.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東湛江524048）

材料工程

VC含量對WC-12%Co硬質(zhì)合金性能的影響

韓小偉1，夏小群2

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，廣東深圳518000；2.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東湛江524048）

VC晶粒長大抑制劑能有效抑制燒結(jié)過程中WC晶粒長大，從而獲得高強(qiáng)度高硬度的超細(xì)硬質(zhì)合金。采用傳統(tǒng)粉末冶金制備了摻雜VC的WC-12%Co硬質(zhì)合金材料，并研究不同VC含量（0.5%，1%，1.5%，2%）時對WC-12%Co硬質(zhì)合金材料的性能的影響。通過密度測量、硬度測定、微觀結(jié)構(gòu)分析研究發(fā)現(xiàn)，添加0.5%VC時硬質(zhì)合金材料的致密性最好，硬度最大，微觀結(jié)構(gòu)緊湊，材料內(nèi)部缺陷少。

VC含量；WC-12%Co；硬質(zhì)合金；性能

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們對硬質(zhì)合金刀具性能的要求越來越高，想制備高韌性、高硬度的WC-Co硬質(zhì)合金，最重要的是抑制WC晶粒在燒結(jié)過程中的長大。加入適當(dāng)?shù)木ЯｉL大抑制劑，如VC、Cr3C2、TaC、MoC、TiC和NbC等碳化物，可有效解決超細(xì)硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中晶粒長大的問題[1]，并且，不同含量的同一種抑制劑對WC晶粒在燒結(jié)過程中的長大的效果是不同的[2]。本文主要通過實(shí)驗(yàn)來研究摻雜不同含量的VC對硬質(zhì)合金材料性能的影響。通過制備出摻雜不同含量的VC的硬質(zhì)合金試樣，在密度測定、硬度測定和顯微結(jié)構(gòu)分析之后，得出VC與WCCo的最佳的配比，從而制備出高韌性、高硬度的WC-Co硬質(zhì)合金材料。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

原材料采用上海水田材料科技有限公司生產(chǎn)的WC粉（純度為99.0%，平均粒度為1 μm），Co粉（純度為99.9%，平均粒度為1 μm），VC粉（純度為99.9%，平均粒度為0.8 μm）。

本實(shí)驗(yàn)以WC-12%Co為基體，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、0.5%、1%、1.5%、2%的VC抑制劑，配制成總重量為50 g的WC-Co-VC的硬質(zhì)合金粉體。另外在每一份試樣中加入3%（1.5g）的石蠟作為成型劑。試驗(yàn)中硬質(zhì)合金的成分配比如表1所示。

表1 硬質(zhì)合金的成分質(zhì)量分配

1.2 試樣制備工藝過程

在試樣制備過程中，首先，用電子天平稱取如表1所示的各組分粉體，并將石蠟和一定量的CCl4溶液一起加入含有鋼珠的尼龍罐中，將裝有不同試樣的四個罐子對稱放到全方位行星式球磨機(jī)中進(jìn)行24 h濕法球磨，轉(zhuǎn)速設(shè)置為200 r/min；其次，將球磨后的漿料通過120目過篩，篩除鋼珠后將漿料放進(jìn)溫度為80℃的熱風(fēng)循環(huán)烘爐進(jìn)行干燥，干燥后得到混合均勻的粉料；然后，再將干燥后的粉料經(jīng)過120目過篩，篩出顆粒較細(xì)的混合粉體；接著，將篩選后的粉體用電子天平稱量5個4 g的小樣和1個25 g的大樣，并將稱好的大樣的粉料和小樣的粉料分別放置在30或11的模具配合油壓千斤頂壓制成型；最后，將壓制成型的毛坯試樣先放在管式氣氛爐中進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，再將預(yù)燒結(jié)后的試樣放進(jìn)箱式氣氛爐進(jìn)行氮?dú)鉄Y(jié)。預(yù)燒結(jié)和氮?dú)鉄Y(jié)過程的溫度變化情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 預(yù)燒結(jié)的溫度曲線

圖2 氮?dú)鉄Y(jié)的溫度曲線

試樣制備的工藝流程如圖3所示[3]。

圖3 試樣制備的流程圖

2 不同配比的VC摻雜下硬質(zhì)合金刀具的性能研究

為描述的方便，本文對于表1中五種不同配比的VC含量的硬質(zhì)合金材料進(jìn)行編號，并按VC含量從小到大分別編號為1、2、3、4.

2.1 密度的測定

致密性是硬質(zhì)合金的一個重要性能指標(biāo)。通過粉末冶金方法制備的硬質(zhì)合金材料，都不同程度地存在孔隙。本文通過靜水稱量法測定硬質(zhì)合金試樣的密度來分析VC的摻雜量對硬質(zhì)合金致密化行為影響[4]。

本文對每一種編號的材料都測定了五組試樣的密度。通過求取每五組試樣密度的平均值得到該種配比時硬質(zhì)合金材料的平均密度。圖4為不同配比的VC含量的硬質(zhì)合金試樣的平均密度對比圖。

圖4 不同的VC含量下試樣的平均密度變化圖

從圖4中可以看出，摻雜0.5%的VC的硬質(zhì)合金試樣的平均密度最大，最大的密度為13.442 g/cm3.并且，隨著VC含量的增加，硬質(zhì)合金試樣的密度有所下降，WC的平均晶粒尺寸和異常生長晶粒數(shù)量顯著下降，孔隙越來越多，致密性越差。

2.2 硬度測定

對于每一種編號的材料中密度最大的試樣，本文采用顯微維氏硬度計進(jìn)行硬度測量。并對每一種試樣進(jìn)行了6個不同位置的硬度測量，通過計算平均值得到了每一種試樣的平均硬度。不同配比的試樣的平均硬度的變化情況如圖5所示。

圖5 不同的VC含量下試樣的平均硬度變化圖

從圖5可以看出，摻雜0.5%VC的硬質(zhì)合金試樣的平均硬度最高，平均硬度為HV30=2 207.70 MPa；摻雜2%VC的30#硬質(zhì)合金試樣的平均硬度最低，平均硬度為HV30=1 827.25 MPa.并且，隨著摻雜VC的含量的升高，硬質(zhì)合金試樣的硬度有下降的趨勢，但硬度基本保持在1 800~2 200 MPa之間。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

對于每一種編號的材料中密度最大的試樣，本文采用連續(xù)變倍顯微鏡進(jìn)行了材料微觀結(jié)構(gòu)觀察[5]。調(diào)節(jié)連續(xù)變倍顯微鏡的放大倍數(shù)為45倍，測出的微觀組織結(jié)構(gòu)如圖6至圖9所示。

圖6 摻雜0.5%VC的硬質(zhì)合金試樣微觀圖

圖7 摻雜1%VC的硬質(zhì)合金試樣微觀圖

圖8 摻雜1.5%VC的硬質(zhì)合金試樣微觀圖

圖9 摻雜2%VC的硬質(zhì)合金試樣微觀圖

從圖6可以看出，摻雜0.5%VC的硬質(zhì)合金試樣的表面不平整，表面較粗糙，但沒有孔隙，沒有裂紋。從圖7可以看出，摻雜1%VC的硬質(zhì)合金試樣的表面有細(xì)小的裂紋，緊湊性相對摻雜0.5%VC的試樣差，且顏色有所變化，那是局部氧化的體現(xiàn)。從圖8可以看出，摻雜1.5%VC的硬質(zhì)合金試樣的表面有一條大的裂溝，氣孔也比較多，但是試樣沒有氧化的現(xiàn)象。從圖9可以看出，摻雜2%VC的硬質(zhì)合金試樣的表面結(jié)構(gòu)較前幾組疏松，并且存在較多氣孔，緊密性差。

根據(jù)以上分析可知，摻雜0.5%VC的硬質(zhì)合金試樣比較致密，相對其它組的試樣，其氣孔量明顯減少，材料內(nèi)部缺陷少。

3 結(jié)束語

通過對不同配比VC的WC-12%Co硬質(zhì)合金材料試樣進(jìn)行測定密度、硬度測定和微觀組織觀察，得出以下結(jié)論：

（1）添加0.5%VC時材料的密度最大，添加2% VC時材料的密度最小，并且隨著添加VC含量的增加，硬質(zhì)合金試樣的密度呈下降趨勢；

（2）添加0.5%VC時材料的硬度最高，達(dá)到HV30=2207.70 MPa，添加2%VC的硬質(zhì)合金試樣的硬度最低，并且隨著添加VC含量的增加，硬質(zhì)合金試樣的硬度也呈變小的趨勢；

（3）添加0.5%VC的硬質(zhì)合金試樣的微觀結(jié)構(gòu)比較緊湊，隨著添加VC的含量的增加，硬質(zhì)合金的表面愈加粗糙，孔隙裂紋愈加嚴(yán)重，微觀結(jié)構(gòu)緊湊性下降。

綜上，添加0.5%VC的硬質(zhì)合金的致密性最好、表面硬度最高，并且內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)缺陷更少。

[1]吳其山.超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金研究綜述[J].中國鎢業(yè)，2005，20（6）：36-37.

[2]李海艷，劉寧.VC對WC-6.5%Co硬質(zhì)合金組織和性能的影響[J].硬質(zhì)合金，2009，26（4）：206-208.

[3]張云鵬.印刷電路板用微型刀具制造技術(shù)和設(shè)備研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2002：23-24.

[4]Sun L，Jia C，Cao R，Lin C.Effects of Cr3C2 additions on the densification，grain growth and properties of ultrafine WC-11%Co composites by spark plasma sintering[J].Interna tional Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2008，26（4）：357-361.

[5]朱流，酈劍，凌國平.超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金及其磨損性能研究[J].材料熱處理學(xué)報，2006，27（3）：112-115.

Effect of VC Content to Performance of WC-12%Co Cemented Carbide

HAN Xiao-wei1，XIA Xiao-qun2
（1.Production Optimization，China Oilfield Services Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China；2.Electrical and Mechanical School，Lingnan Normal University，Zhanjiang Guangdong 524048，China）

VC grain inhibitor can effectively restrain the grain growth of WC during the sintering process to obtainultra-fine cemented carbides with high strength and high hardness.The paper studied on the preparation of a kind of doping VC of WC-12%Co cemented carbide by traditional powder metallurgy.And then the paper focused on the effect of different content（0.5%，1%，1.5%，2%）of the VC to the properties of WC-12%Co cemented carbide.The density and hardness of the samples were measured to examine the properties.The scanning electron microscopy was used to examine the morphology and microstructure of the samples.The results show when the content of VC is 0.5%，the cemented carbide material has the biggest density and hardness，meanwhile the best comprehensive performance.

VC content；WC-12%Co；cemented carbide；performance

TG135.5

：A

：1672-545X（2017）01-0106-03

2016-10-05

廣東省自然科學(xué)基金（編號：S2013010012107）

韓小偉（1980-），男，山西呂梁人，助理工程師，本科，研究方向：機(jī)械制造及材料性能研究。