粗WC顆粒對低鈷硬質(zhì)合金組織與性能的影響

閆明遠，張偉彬，譚澄宇，龍堅戰(zhàn)，杜勇

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；3. 硬質(zhì)合金國家重點實驗室，株洲 412000)

粗WC顆粒對低鈷硬質(zhì)合金組織與性能的影響

閆明遠1,2，張偉彬2，譚澄宇1，龍堅戰(zhàn)3，杜勇2

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；3. 硬質(zhì)合金國家重點實驗室，株洲 412000)

以粒度為5 μm的粗WC顆粒和粒度為1 μm的細WC顆粒為原料，采用6種不同的粗/細顆粒質(zhì)量配比，通過低壓燒結制備Co含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為7%的低鈷WC-Co硬質(zhì)合金，測試材料的抗彎強度、斷裂韌性和硬度，并采用掃描電鏡(SEM)觀察材料的微觀組織、彎曲斷口形貌及裂紋擴展情況，研究粗顆粒WC含量對低鈷硬質(zhì)合金組織與性能的影響。結果表明，隨粗顆粒WC含量增加，WC晶粒度的分布表現(xiàn)為明顯的雙峰結構特征，從合金的彎曲斷口觀察到裂紋偏轉(zhuǎn)以及穿晶斷裂數(shù)量顯著增加，以此阻礙裂紋擴展，從而提高合金的韌性。合金硬度隨粗顆粒WC含量增加而下降。當粗顆粒含量(質(zhì)量分數(shù))為50%時，WC-7% Co硬質(zhì)合金具有較好的綜合力學性能，其硬度(HV30)為15.9 GPa，抗彎強度和斷裂韌性分別為2 490 MPa和11.39 MPa·m1/2。

硬質(zhì)合金；低鈷；粒徑匹配；增韌機制；Weibull模量

WC-Co硬質(zhì)合金常用于機械加工、模具制造和礦山掘進等領域[1]。通常要求硬質(zhì)合金不但具有很高的硬度與良好的耐磨性能，同時還要求具有較高的斷裂韌性，但硬質(zhì)合金的高硬度與高斷裂韌性很難同時存在。已有的研究表明，Co含量和WC顆粒尺寸對合金的硬度及斷裂韌性等有重要影響[2-3]。增加Co含量可提高硬質(zhì)合金的韌性，但耐磨性能下降，且 Co屬于稀缺資源，從戰(zhàn)略角度應減少對 Co的使用。通過調(diào)整粗顆粒WC和細顆粒WC的配比，可獲得具有良好綜合性能的混合晶粒硬質(zhì)合金[4-7]。李晨輝等[4]采用壓痕法研究了WC粒度對WC-10%Co合金斷裂韌性的影響，并分析了影響機理。陳紹衣等[5]將3種粒徑(A級30～35 μm，B級10～15 μm，C級2～3 μm)的WC顆粒進行粗細搭配制備WC-10% Co合金，獲得的雙晶硬質(zhì)合金在沖擊鑿巖中表現(xiàn)出良好的綜合性能；遺憾的是由于采用正交設計試驗，作者沒有給出不同顆粒搭配對合金力學性能影響的變化規(guī)律。劉超等[6-7]在0.2 μm粒徑的WC中分別加入20%的粒徑為1，2或3 μm的WC粗顆粒制備超細WC-8% Co硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)加入1 μm的WC粗顆?？色@得較好的綜合力學性能，但也沒有研究粗顆粒配比對合金性能的影響。目前，在Co的質(zhì)量分數(shù)小于10%的低Co非均勻結構硬質(zhì)合金中，還沒有人針對粗晶(平均晶粒尺寸 2.5～6.0 μm)與細晶(平均晶粒尺寸0.8～1.3 μm)WC的配比對硬質(zhì)合金斷裂機理等的影響進行研究。本文選用粒度為5 μm的WC粗顆粒和粒度為1 μm的WC細顆粒為原料，采用粗細WC顆粒搭配的方法制取低鈷非均勻結構YG7硬質(zhì)合金，研究粗/細WC顆粒的配比對合金顯微組織和力學性能的影響，以期獲得1種高硬度高韌性的低鈷硬質(zhì)合金材料。

表1 原料粉末的相關參數(shù)Table 1 Related parameters of raw powders

表2 WC-7%Co硬質(zhì)合金的原料配比與主要性能Table 2 Raw material ratios and main performance of WC-7%Co

1 實驗

1.1 合金制備

實驗所用2種不同牌號的WC粉末由廈門金鷺特種合金有限公司生產(chǎn)，原料粉末的相關參數(shù)列于表1。

按表 2所列粗/細 WC顆粒的質(zhì)量配比以及WC-7% Co合金的名義成分稱量原料粉末，加入0.25%的Cr3C2作為晶粒生長抑制劑以及2%的石蠟作為成形劑，以無水乙醇作分散介質(zhì)，在臥式球磨機中濕磨30 h，制備成混合料漿。球料質(zhì)量比為8:1，球磨轉(zhuǎn)速為238 r/min。將料漿置于90 ℃真空干燥箱中烘干，然后研磨、過篩、造粒，獲得混合粉料。采用單向模壓方式在150 MPa壓力下壓制成條狀試樣，置于低壓燒結爐中，在Ar氣氛下進行低壓燒結溫度為1 450 ℃，壓力為5 MPa，保溫時間為1 h，隨爐冷卻至室溫，得到6組WC-7% Co硬質(zhì)合金試樣，試樣尺寸為5.25 mm ×6.5 mm×20 mm。

1.2 性能測試

采用截線法測定硬質(zhì)合金的 WC晶粒尺寸的分布[8]；采用排水法測定合金的密度；利用ZDHC40型矯頑磁力計和ZDMA6530型鈷磁儀分別測定合金的矯頑磁力和飽和磁化強度；采用三點彎曲法按照 ISO3327標準測定合金的抗彎強度，每組測試5個樣品，取平均值；利用HVS-50型數(shù)顯維氏硬度儀測量合金的維氏硬度HV30，采用Leica DMLP型光學顯微鏡測量壓痕拐角處裂紋的長度，根據(jù)壓痕法計算其斷裂韌性 KIC[9]。測得6組合金的性能列于表2。采用Quanta FEG250型掃描電鏡觀察合金的顯微組織及裂紋擴展情況。

圖1 WC-7% Co合金的SEM形貌及晶粒尺寸分布Fig.1 Backscattered electron SEM micrographs and grain size distributions of WC-7% Co alloys

2 結果與討論

2.1 顯微組織結構

圖1所示為6組WC-7%Co硬質(zhì)合金顯微組織的背散色電子(BSE)照片及 WC晶粒尺寸分布。從圖可以看出，由于少量晶粒長大抑制劑的存在，硬質(zhì)相WC晶粒未發(fā)生異常長大現(xiàn)象。除合金1和6外，其它合金中都同時存在粗晶粒和細晶粒，WC晶粒尺寸分布表現(xiàn)為雙峰結構特征。

圖2 粗顆粒WC含量對WC-7% Co硬質(zhì)合金抗彎強度與Weibull模量的影響Fig.2 Effects of coarse WC particles content on TRS and Weibull module of WC-7% Co cemented carbides

2.2 抗彎強度和Weibull模量

圖2所示為粗顆粒WC含量對硬質(zhì)合金抗彎強度TRS的影響。從圖2可看出，隨粗顆粒WC含量從0增加到100%，合金的TRS從2 200 MPa提高到最大值2 718 MPa，再下降到2 294 MPa，最后提高到2 675 MPa。TRS隨粗顆粒WC含量的變化規(guī)律與文獻[10]報道的雙晶結構硬質(zhì)合金TRS變化規(guī)律相似。硬質(zhì)合金抗彎強度很容易受到材料中的孔隙及粗晶粒等的影響?？紤]到本研究中采用低壓燒結法降低了合金中的孔隙缺陷，粗顆粒WC成為影響合金抗彎強度的決定因素。在雙晶硬質(zhì)合金中，均勻分布的粗晶粒在斷裂過程中阻礙裂紋擴展，從而提高合金的抗彎強度。但當粗顆粒添加量達到一定程度后，合金內(nèi)部孔隙率增高，Co相聚集，從而使合金的抗彎強度降低，故合金5和6的抗彎強度低于合金4的抗彎強度。

為了研究粗顆粒WC的含量對合金中抗彎強度分散性的影響，本文引入Weibull分布[11-12]。Weibull參數(shù)的大小可表征性能數(shù)據(jù)的分散程度[13-14]，Weibull參數(shù)越大，則抗彎強度的分散程度越小。從圖2可看出，隨粗顆粒WC增加，除合金2外，Weibull參數(shù)整體呈增大趨勢。在粗顆粒含量為65%時，Weibull參數(shù)的值最大，說明合金4的均勻性較好，抗彎強度的分散性較小，所測抗彎強度較可靠。在粗顆粒含量為20%時，Weibull參數(shù)值較粗顆粒含量為0時減小，可能與組織中出現(xiàn)輕微Co相的聚集有關(見圖1(b))，導致合金的抗彎強度較分散。

圖3 粗顆粒WC含量對WC-7% Co合金硬度與斷裂韌性的影響Fig.3 Effects of coarse WC particles content onVickers hardness and fracture toughness of WC-7% Co cemented carbides

2.3 硬度和斷裂韌性

圖3所示為粗顆粒WC含量對WC-7%Co硬質(zhì)合金的硬度HV30與斷裂韌性KIC的影響。由圖3可見，隨粗顆粒WC含量增加，合金的硬度逐漸減小，斷裂韌性逐漸增大。當不加入粗顆粒WC時，合金的硬度達到最大值 17.1 GPa，但斷裂韌性最小，為 10.59 MPa·m1/2。與不添加粗顆粒相比，添加 20%的粗顆粒WC時，合金硬度降至16.6 GPa，斷裂韌性增大到10.66 MPa·m1/2。粗顆粒WC添加量為50%的合金，硬度減小至15.9 GPa，斷裂韌性顯著增大到11.39 MPa·m1/2。全部采用粗顆粒 WC制備的合金，硬度減小至 15.1 GPa，斷裂韌性提高到 11.89 MPa·m1/2?？梢姶诸w粒WC含量為50%時，硬質(zhì)合金具有較好的綜合性能，同時擁有較高的硬度和良好的斷裂韌性。

當 Co含量固定時，硬質(zhì)合金的硬度主要與 WC晶粒尺寸有關。根據(jù)Hall-Petch關系，隨WC晶粒尺寸增大，合金硬度降低。本研究制備的合金為粗/細晶?；旌系碾p峰結構的非均質(zhì)合金組織，由于細顆粒的存在，燒結過程中可適當提高合金的致密度，降低粗晶粒對硬度的影響，所以合金的硬度沒有大幅降低。

2.4 斷裂機制

圖4所示為WC-7% Co合金的彎曲斷口形貌。從圖4很明顯地看到，由于WC屬于六方晶系，且Co含量僅為 7%，Co相較少，因此 6組合金的斷裂方式均主要為脆性的穿晶斷裂，沿 WC/Co界面和WC/WC界面的斷裂。合金1主要為沿晶斷裂方式，而合金2～6除了沿晶斷裂外，還出現(xiàn)明顯的WC穿晶斷裂(如圖4(b)中箭頭所示)。

圖4 WC-7% Co硬質(zhì)合金的彎曲斷口形貌Fig.4 Fracture morphologies of WC-7% Co alloys

圖5所示為合金彎曲斷口裂紋擴展的SEM照片。由圖5清楚地看出，合金1的晶粒最細，Co相自由程最小，不易發(fā)生塑性變形，裂紋擴展所需能量較小，裂紋擴展的阻力相對較低，裂紋擴展順利，所以沿晶斷裂最多且裂紋擴展路徑較平直。隨粗顆粒WC含量增多，Co相自由程增大，裂紋擴展所需能量增加，粗顆粒WC通過穿晶斷裂和裂紋偏轉(zhuǎn)作用對裂紋擴展產(chǎn)生阻力(如圖 5(b)和(c)中箭頭所示)，從根本上提高了合金的韌性。因此，在低Co非均勻結構硬質(zhì)合金中，韌性隨粗顆粒WC含量增加而增大。

圖5 WC-7% Co硬質(zhì)合金的彎曲斷口裂紋形貌Fig.5 Crack morphologies of WC-7% Co alloys

3 結論

1) 在粒度為1 μm的細顆粒WC中添加粒度為5 μm的粗顆粒WC，通過低壓燒結制備WC-7% Co硬質(zhì)合金，合金的WC晶粒分布表現(xiàn)為雙峰結構特征。

2) WC-7% Co合金主要表現(xiàn)為沿晶斷裂，隨粗WC顆粒含量增多，沿晶斷裂所占比重減少，出現(xiàn)部分穿晶斷裂；隨粗顆粒WC含量增多，裂紋擴展呈現(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，擴展的阻力增加，從而使硬質(zhì)合金的斷裂韌性提高。

3) 隨粗WC顆粒含量增加，WC-7% Co硬質(zhì)合金的硬度下降，斷裂韌性增大。當粗顆粒WC含量為50%時合金的綜合力學性能最佳，硬度、抗彎強度和斷裂韌性分別為15.9 GPa, 2 490 MPa和11.39 MPa· m1/2。

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(編輯 湯金芝)

Effect of coarse WC particle on microstructure and properties of low-Co content cemented carbides

YAN Mingyuan1,2, ZHANG Weibin2, TAN Chengyu1, LONG Jianzhan3, DU Yong2
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 3. State Key Laboratory of Cemented Carbide, Zhuzhou 412000, China)

Using WC with different particle sizes (5 μm and 1 μm) as raw material, six kinds of WC-7% Co (mass fraction, the same below) cemented carbides with different coarse/fine particle mass ratios were produced through low-pressure sintering. The effects of coarse grained WC additions on microstructure and properties of low-Co content WC-Co cemented carbides were investigated by testing transverse rupture strength (TRS), fracture toughness (KIC) and hardness (HV30). The microstructure, fracture morphology and crack propagation were observed through scanning electron microscopy (SEM). The results show that the distribution of WC grains exhibits bimodal structure with increasing the addition of coarse-grained WC powder. At the same time, the obvious crack deflection and transgranular fracture phenomenon can be observed, which can resist the crack propagation and imporve the toughness of cemented carbides. The hardness of alloys decreases with increasing the content of coarse grained WC. When the percentage of addition is 50%, the optimal mechanical properties of WC-7% Co alloy are obtained with the hardness, transverse rupture strength and fracture toughness values being 15.9 GPa, 2 490 MPa and 11.39 MPa·m1/2, respectively.

cemented carbides; low-Co content; particle-size combination; toughening mechanism; Weibull modulus

TF125.3

A

1673-0224(2017)01-49-07

國家自然科學基金資助(51371199)；中南大學研究生自主探索創(chuàng)新項目(502200569)

2016-01-18；

2016-02-26

杜勇，博士，教授。電話：0731-88836213；E-mail: yong-du@csu.edu.cn