Ni3Al含量對WC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織與性能的影響

陳 飛，龍堅(jiān)戰(zhàn), 2, ，陳 沖，李 強(qiáng)，申夢龍，夏艷萍2,，冉麗萍

?

Ni3Al含量對WC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織與性能的影響

陳 飛1，龍堅(jiān)戰(zhàn)1, 2, 3，陳 沖1，李 強(qiáng)3，申夢龍3，夏艷萍2,3，冉麗萍1

(1. 中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083；2. 株州硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司 硬質(zhì)合金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，株洲 412000；3. 株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司 硬質(zhì)材料研發(fā)中心，株洲 412000)

為了改善WC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金性能，以熱力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，探索Ni3Al添加量對WC-Fe(Cr, Mo)鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織與性能的影響。采用粉末冶金方法，以添加Ni3Al預(yù)合金粉的方式添加Al，通過液相燒結(jié)制得不同Ni3Al含量(0，0.5%，1.0%，1.4%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的WC-50%(Fe-Ni-Al-Cr-Mo)合金樣品。采用差示掃描量熱分析(DSC)、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和金相顯微鏡分別對合金的液相溫度點(diǎn)、相組成和顯微組織進(jìn)行了檢測分析，并討論了合金物理力學(xué)性能和磁性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明：粘結(jié)相主要由-+′三相構(gòu)成，且隨著Ni3Al含量的增加，Ni元素可以穩(wěn)定奧氏體，粘結(jié)相中-Fe含量增加，1250℃時(shí)，F(xiàn)e-Ni-Al粘結(jié)相從液相中析出-Fe相的形核驅(qū)動(dòng)力增大，使得粘結(jié)相的晶粒細(xì)化，粘結(jié)相中析出的NiAl相增多；合金硬質(zhì)相主要為WC和Fe3W3C，WC沿晶界偏聚；-Fe含量增多，固溶了更多C元素，使Fe3W3C的含量隨Ni3Al含量增加而減少；WC晶粒細(xì)化，分布更為彌散。在上述因素共同影響下，合金密度略有降低，粘結(jié)相的磁飽和強(qiáng)度下降，矯頑磁力上升；硬度上升，抗彎強(qiáng)度先下降后上升，并在添加Ni3Al含量為1.4%時(shí)，硬度和抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值。

WC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金；Fe-Ni-Al粘結(jié)相；組織；性能

鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以WC、TiC等作為硬質(zhì)相，鋼為粘結(jié)相，用粉末冶金方法制造的高硬度、高耐磨性的工具材料[1?4]。因其具有硬質(zhì)合金的高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)度，同時(shí)具有鋼的可機(jī)加工性、可熱處理性、可鍛性和強(qiáng)韌性[3]，被認(rèn)為是可加工、可熱處理的硬質(zhì)合金，可廣泛地應(yīng)用于耐磨零件、礦山工具等材料中[5]。由于我國盛產(chǎn)鎢，所以國內(nèi)研制的主要是WC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金，常用牌號有GJW50、GW50、TLMW50等[3]。

由于鋼性能多樣，通過調(diào)整粘結(jié)相組成，可以使鋼結(jié)硬質(zhì)合金表現(xiàn)出良好的耐蝕、抗氧化等性能，以適應(yīng)各種工作環(huán)境[6]。早期的研究表明，在Fe中加入一定量Ni作為粘結(jié)相時(shí)，可使合金中產(chǎn)生馬氏體相變強(qiáng)化[7?8]。另外，經(jīng)1400℃燒結(jié)獲得的WC-Ni-Fe硬質(zhì)合金表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性[9]。近幾年，在Fe-C鋼基體中添加Al后能形成納米級的Fe3AlC沉淀強(qiáng)化相可使鋼基體得到強(qiáng)化[10]。而在Fe-Ni合金中加入Al也可形成′-Ni3Al或′-NiAl沉淀強(qiáng)化相[11?13]，因此，期望在WC-Fe-Ni-Al合金形成(奧氏體)/′-Ni3Al或(鐵素體)/′-NiAl共格強(qiáng)化結(jié)構(gòu)?！?Ni3Al相為有序的FCC(L12)結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，在高溫下仍具有較高的抗氧化性和耐蝕性，且其屈服強(qiáng)度在800℃以下具備正溫度效應(yīng)[14]；′-NiAl相主要是有序的BCC(B2)結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，且具備良好的高溫抗氧化性[15]。限制Ni3Al與NiAl應(yīng)用的主要是它們的室溫脆性，而奧氏體與鐵素體均具備良好的韌性，可以填補(bǔ)Ni3Al與NiAl室溫力能的不足。Fe-Al、Ni-Al系金屬間化合物增韌WC等陶瓷相的研究已經(jīng)引起不少材料工作者的關(guān)注[14]，但針對在WC-Fe鋼結(jié)硬質(zhì)合金中添加Ni、Al元素對合金組織和性能影響的研究還未見相關(guān)報(bào)道。

本文作者以WC-Fe(Cr, Mo)鋼結(jié)硬質(zhì)合金為基礎(chǔ)，結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算，Ni和Al以Ni3Al預(yù)合金粉的形式添加，在WC-Fe(Cr, Mo)鋼結(jié)硬質(zhì)合金中添加少量Ni3Al，探索Ni3Al含量對WC-Fe-Cr-Mo-Ni-Al合金組織和性能的影響規(guī)律，為鋼結(jié)硬質(zhì)合金新材料的開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。

1 Ni3Al-Fe熱力學(xué)計(jì)算

為確定合適的合金成分及燒結(jié)工藝，對Fe-Ni-Al粘結(jié)相體系進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算。由于WC在Fe液中溶解度有限[16]，且加入的少量Cr，Mo等元素屬于強(qiáng)碳化物形成元素，更容易與C形成碳化物，從而對粘結(jié)相顯微結(jié)構(gòu)的影響可以忽略。因此，計(jì)算忽略W、Mo、Cr及C元素的影響，本研究重點(diǎn)關(guān)注Ni、Al對Fe基粘結(jié)相的影響，即Fe-Ni-Al粘結(jié)相?；贑ALPHAD方法，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的熱力學(xué)參數(shù)(主要相的過剩吉布斯自由能如表1所列)[17]，采用ThermoCalc軟件對Fe-Ni-Al三元系粘結(jié)相系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算。

表1 Fe-Ni-Al三元系部分熱力學(xué)參數(shù)[17]

根據(jù)ZHANG等[17]建立起來的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計(jì)算得到的Ni3Al-Fe的垂直截面相圖如圖1所示。為了在Fe-Ni-Al粘結(jié)相中形成/′或/′的共格強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，合金成分應(yīng)該控制在′++′或++′相區(qū)。而從圖1中可以看出，′++′相區(qū)狹長，要在一定熱處理溫度下得到′++′的三相組織，對合金成分有嚴(yán)格的要求，不利于合金粘結(jié)相的組織控制。而在++′相區(qū)，在一定的熱處理溫度下(505~606℃)，Ni3Al含量為3%~45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的范圍內(nèi)，都可以得到++′的三相組織。為了避免粘結(jié)相晶粒的粗化，燒結(jié)時(shí)保溫時(shí)間不宜過長，Ni、Al元素得不到充分的擴(kuò)散容易在局部區(qū)域形成富集，粘結(jié)相中實(shí)際添加的Ni3Al含量應(yīng)低于++′相區(qū)的臨界Ni3Al含量(3%)。

由于Fe-W-C的共晶溫度為1250℃[18]，基于CSUTDCC1熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫[17]，在1250℃下，粘結(jié)相從液相中析出粘結(jié)相的形核驅(qū)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。對于一個(gè)封閉體系，在恒溫()、恒壓()下，從過飽和母相中析出少量新相的驅(qū)動(dòng)力為該少量新相析出前后體系的摩爾Gibbs自由能的降低量，稱為該新相的形核驅(qū)動(dòng)力，可用下式表示：

圖1 Ni3Al-Fe的垂直截面相圖

Δm=p m?r m (1)

式中：r m和p m分別為少量新相析出前、后體系的摩爾Gibbs自由能。

在熱力學(xué)分析中，如果定義新相的形核驅(qū)動(dòng)力為[19]

=Δm/()=(p m?r m)/() (2)

為無量綱數(shù)，穩(wěn)定相的形核驅(qū)動(dòng)力為0，對于一個(gè)自發(fā)過程和一個(gè)不可能進(jìn)行的過程，其形核驅(qū)動(dòng)力分別小于0和大于0。隨添加的Ni3Al的增多，粘結(jié)相液相的形核驅(qū)動(dòng)力增大，說明粘結(jié)相更容易形核，進(jìn)而對合金組織形貌產(chǎn)生影響。

圖2 1250℃時(shí)粘結(jié)相從液相中析出γ相的形核驅(qū)動(dòng)力

2 實(shí)驗(yàn)

所用Fe粉為還原Fe粉(約30 μm)，Cr以Cr3C2(約2 μm)粉的形式添加，Mo以Mo粉形式添加(約4 μm)；為避免Al與Fe、Ni發(fā)生劇烈的化合放熱反應(yīng)及柯肯達(dá)爾效應(yīng)引起的膨脹[20]，本實(shí)驗(yàn)采用添加Ni3Al預(yù)合金粉的方法添加Ni和Al，其(Ni):(Al)=3:1；混合粉末加入無水乙醇濕磨24 h；球磨后漿料過75 μm篩，干燥后過250 μm篩；過篩后粉末經(jīng)模壓成型，壓坯為6.5 mm×8 mm×20 mm條狀樣；用NETZSCH STA409PC同步熱分析儀測量了Ni3Al含量為1.4%的合金混合料室溫至1500℃的熱量變化，以確定合適的燒結(jié)溫度；結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，最終確定Ni3Al的添加量分別為0、0.5%、1.0%、1.4%(對應(yīng)的樣品編號為合金1、2、3、4)，燒結(jié)溫度為1270℃，保溫1 h，爐冷至550℃后空冷至室溫，樣品成分如表2所示。

表2 不同Ni3Al含量合金的成分

合金經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡(REICHERT MeF3A)下觀察其組織；使用Quanta FEG 250場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察合金背散射電子像；采用D/Max 2550型全自動(dòng)(18kW)轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對合金進(jìn)行物相分析，掃描速度為4 (°)/min，角度為10°~90°。對燒結(jié)態(tài)合金的密度、硬度、矯頑磁力、粘結(jié)相磁飽和強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度進(jìn)行了測量。合金密度通過排水法測得；硬度使用Wilson RB2000洛氏硬度計(jì)測量；矯頑磁力通過YSK-Ⅲ型磁力儀測量；粘結(jié)相磁飽和強(qiáng)度通過ACOMT-Ⅰ微機(jī)型全自動(dòng)鈷磁儀測得；抗彎強(qiáng)度是在美國Instron 3369電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)抗彎法測量，樣品尺寸為5.25 mm×6.5 mm×20 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 合金液相溫度

對合金4混合料進(jìn)行了差熱分析(DSC)，其結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，合金4中出現(xiàn)液相的溫度范圍在1247~1305℃之間，與Fe-W-C的共晶溫度(1250℃)[18]相差不大，說明Ni3Al添加對合金液相溫度影響不大，因而確定合金燒結(jié)溫度為1270℃。

圖3 合金4的差熱分析曲線

3.2 合金相種類及成分

合金的XRD譜及合金1的分析區(qū)域分別如圖4和5所示，表3所列為圖5相應(yīng)區(qū)域成分結(jié)果。分析可知，4種成分合金中均存在WC及Fe。合金中的Fe以相及相的形式存在，相的衍射峰較標(biāo)準(zhǔn)衍射峰向右偏移。這可能與-Fe基體晶格常數(shù)的變化有關(guān)。結(jié)合表3中粘結(jié)相(圖5(d)中區(qū)域II)的合金成分可知，-Fe基體中固溶了少量Cr和Ni元素。Cr和Ni原子易替代Fe原子形成置換固溶體，而Cr和Ni的原子半徑(分別為0.1249和0.1246 nm)較-Fe原子半徑(0.1288 nm)小，使-Fe基體的晶面間距減小，衍射峰向右移。合金1、2、3中可觀察到較為明顯的貧碳相M6C的衍射峰。結(jié)合表3中貧碳相(圖5(a)區(qū)域I)成分可確定，合金中存在固溶了少量Mo的Fe3W3C。在添加了Ni3Al的樣品中還可以觀察到金屬間化合物′-NiAl的特征峰，這與計(jì)算得到的相圖結(jié)果一致。隨著Ni3Al含量的增加，F(xiàn)e3W3C衍射峰的相對強(qiáng)度降低，′-NiAl及相衍射峰的相對強(qiáng)度升高，相的衍射峰寬化。

圖4 不同Ni3Al含量合金的XRD譜

3.3 粘結(jié)相組織

通過EDS檢測合金1的粘結(jié)相成分，從表3中可看出，Ni和Al元素主要存在于粘結(jié)相中。

腐蝕后合金組織形貌如圖5所示。從圖5中可看出，粘結(jié)相組織主要以馬氏體+奧氏體為主，粘結(jié)相晶粒間存在偏聚的細(xì)小WC晶粒(圖5箭頭所示)。粘結(jié)相的這種組態(tài)與相圖及XRD檢測結(jié)果是一致的。固溶的Cr和Ni均增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使粘結(jié)相在冷卻至室溫時(shí)仍存在較多的過冷奧氏體。隨著合金中Ni3Al含量的增加，馬氏體變細(xì)變短，由粗大的板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長的針狀或竹葉狀；過冷奧氏體晶粒隨合金中Ni3Al含量的增加也產(chǎn)生了細(xì)化。

3.4 硬質(zhì)相組織

圖6所示為合金的背散射電子衍射圖像。從圖6(a)~(d)可看出，合金硬質(zhì)相基本由3部分組成：未溶解的WC大晶粒+二次析出的WC小晶粒+貧碳相Fe3W3C(見圖6箭頭所示)。合金中WC大多呈圓鈍狀，基本不存在尖銳的棱角。這主要是由于WC在Fe中溶解度較小，減緩了合金液相燒結(jié)時(shí)WC的溶解?析出過程。隨Ni3Al含量的增加，WC晶粒有減小趨勢，在合金4中尤為明顯。

表3 合金1中貧碳相(I)與合金4中粘結(jié)相(II)的成分

圖5 不同含量Ni3Al合金腐蝕后的顯微組織

圖6 不同Ni3Al含量合金背散射電衍射圖像

圖6(e)和(f)所示為合金1和4的低倍背散射電子像。觀察可以發(fā)現(xiàn)，合金中WC小規(guī)模偏聚成島狀分布在粘結(jié)相中，WC“島”之間又存在粒度相對較小的WC或橋接碳化物連接各WC“島”，即WC鋼結(jié)硬質(zhì)合金中的橋接現(xiàn)象。比較圖6(e)與圖6(f)可以發(fā)現(xiàn)，合金4中單個(gè)WC“島”的面積減小，WC晶粒分布更為彌散。

3.5 合金物理力學(xué)性能

物理性能如表4所示。由于奧氏體不顯磁性或弱磁性，因此粘結(jié)相磁飽和強(qiáng)度在一定程度上可以代表鐵素體或馬氏體的含量。通過測量合金中磁性物質(zhì)的含量(粘結(jié)相的磁飽和強(qiáng)度)對奧氏體含量可以做定性的分析[1]。結(jié)果顯示：隨Ni3Al含量的增加，合金粘結(jié)相磁飽和強(qiáng)度下降，且添加Ni3Al后，合金粘結(jié)相磁飽和強(qiáng)度有較大幅度的增加。矯頑磁力表示對應(yīng)于磁壁移動(dòng)的阻抗值，在粘結(jié)相含量一定的情況下，合金碳化物晶粒度越細(xì)，則粘結(jié)相厚度越小(粘結(jié)相平均自由程越小)，矯頑磁力越大。從表4中可以看出，隨合金中Ni3Al含量的增加，合金的矯頑磁力上升，且添加Ni3Al后，合金矯頑磁力有較大幅度的上升。此外，從表4中還可以看出，合金密度隨著Ni3Al含量的增加略微降低。合金的硬度和抗彎強(qiáng)度如圖7所示。從圖7中可得知，合金硬度隨Ni3Al含量的增加逐漸上升，合金4的硬度取得最大值；而合金抗彎強(qiáng)度隨Ni3Al增加而先下降后增加。

表4 合金的物理性能

圖7 合金的力學(xué)性能

4 分析與討論

4.1 Ni3Al含量對合金顯微組織的影響

從XRD分析結(jié)果(見圖4)可知，Ni3Al的增加可以有效地抑制貧碳相Fe3W3C的析出，增加了粘結(jié)相中相及′-NiAl相的含量，細(xì)化了相的晶粒，使得′相析出增多。Fe3W3C的質(zhì)地硬脆，合金的這種硬脆性會(huì)降低合金的強(qiáng)度及斷裂韌性。Fe3W3C析出的減少可能與相的增多有關(guān)，相為過冷奧氏體，Ni固溶于奧氏體中可以起到穩(wěn)定奧氏體的作用，因此，隨Ni3Al含量的增加，粘結(jié)相中奧氏體增多；而C在奧氏體中有較大固溶度，隨奧氏體增多，更多的C固溶于奧氏體中，從而抑制Fe3W3C的析出。

觀察圖5和6可知，Ni3Al的添加使合金粘結(jié)相與硬質(zhì)相晶粒均出現(xiàn)一定程度細(xì)化，在合金4中尤為明顯，這與XRD譜中相衍射峰寬化的結(jié)果是一致的。粘結(jié)相晶粒的細(xì)化可以用形核驅(qū)動(dòng)力的變化來解釋。圖2表明，1250℃時(shí)，從液相析出相的形核驅(qū)動(dòng)力隨Ni3Al的增加而增大。形核時(shí)的高驅(qū)動(dòng)力有利于增加凝固時(shí)的形核質(zhì)點(diǎn)，使粘結(jié)相晶粒增多而尺寸減小。相為馬氏體，在原奧氏體晶界形核并向晶內(nèi)生長，得益于奧氏體晶粒變小，馬氏體組織產(chǎn)生細(xì)化。硬質(zhì)相晶粒的細(xì)化可能是因?yàn)槌@微NiAl相的析出，釘扎晶界，抑制晶粒生長。

圖6(e)和(f)表明Ni3Al的添加使WC“島”面積減小，WC分布更為彌散。如圖8所示，橋接現(xiàn)象的形成可以從以下3個(gè)方面來解釋：1) 二次析出的WC優(yōu)先在未溶解的WC晶粒界面上形核；2) 貧碳相Fe3W3C析出并迅速長大，聯(lián)接WC晶粒；3) 隨著粘結(jié)相液相形核的進(jìn)行，WC晶粒在液相中富集，當(dāng)兩個(gè)粘結(jié)相晶粒長大相遇時(shí)，WC晶粒遷移到晶界處，形成WC晶粒沿粘結(jié)相晶界的偏聚[21]。WC的橋接現(xiàn)象使合金組織結(jié)構(gòu)不均勻，局部脆性過大，降低合金性能。WC晶粒隨Ni3Al含量增加的這種分布變化可以從兩個(gè)方面來解釋：一方面，Ni3Al的增加使Fe3W3C的析出減少，降低了對WC晶粒的聯(lián)接作用；另一方面，粘結(jié)相晶粒細(xì)化，總晶界面積增加，為WC提供更多形核中心，單個(gè)WC“島”面積減小，使更多WC沿粘結(jié)相晶界偏聚。

4.2 Ni3Al添加量對合金性能的影響

表4所列為合金的物理性能。由表4可看出，粘結(jié)相磁飽和強(qiáng)度、合金密度隨Ni3Al增多而降低，矯頑磁力卻隨之增大。粘結(jié)相磁飽和強(qiáng)度的降低是由于奧氏體的增多所致，而奧氏體不顯磁性，這與XRD檢測結(jié)果一致；合金密度的降低主要是由于Ni3Al的增加，Ni3Al的理論密度為7.5 g/cm3，略小于Fe的理論密度；而矯頑磁力的增加也與實(shí)驗(yàn)中觀察到的晶粒細(xì)化的現(xiàn)象相符。

從圖7中可看出，合金硬度隨Ni3Al含量增多而上升。這主要與合金組織、晶粒度、硬質(zhì)相分布等變化有關(guān)。隨Ni3Al含量增加，NiAl析出增多，沉淀硬化效果更顯著；晶粒細(xì)化程度提高，晶界總面積增加，界面能的升高促進(jìn)合金硬化；WC分布更為彌散也可提高合金硬度。

圖8 WC的橋接現(xiàn)象示意圖

由圖7中的數(shù)據(jù)還可看出，合金的抗彎強(qiáng)度隨Ni3Al增加先下降后上升，這是眾多因素共同影響的結(jié)果。理論上，粘結(jié)相′-NiAl的析出可阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，形成沉淀強(qiáng)化，提高合金強(qiáng)度；晶粒細(xì)化及硬脆相Fe3W3C析出減少，也使合金強(qiáng)化。但Ni3Al的增加也加劇了WC沿粘結(jié)相晶界的偏聚。合金中WC的偏聚，主要是由于隨粘結(jié)相晶粒長大而遷移，這種情況下的WC與粘結(jié)相界面結(jié)合強(qiáng)度低，促使合金沿晶斷裂，從而降低合金強(qiáng)度。在這些因素的共同作用下，合金2和3整體表現(xiàn)為抗彎強(qiáng)度的下降，而合金4則表現(xiàn)為抗彎強(qiáng)度的上升。

5 結(jié)論

1) 合金硬質(zhì)相主要為WC，還有少量Fe3W3C析出；Ni、Al元素主要存在于粘結(jié)相中，其組織主要為過冷奧氏體+馬氏體。

2) 添加Ni3Al后，粘結(jié)相中可形成++′的三相組織，′相為NiAl；且隨Ni3Al含量的增加，NiAl析出增加，WC晶粒細(xì)化；溶解的Ni含量增多導(dǎo)致奧氏體含量增多，F(xiàn)e3W-3C析出減少；1250℃時(shí)，從液相中析出相的形核驅(qū)動(dòng)力增大，奧氏體晶粒細(xì)化，WC分布更為彌散。

3) 隨Ni3Al含量的增加，合金密度略微降低；同時(shí)，由于奧氏體含量增多，晶粒細(xì)化，導(dǎo)致合金粘結(jié)相磁飽和強(qiáng)度下降，矯頑磁力上升；在NiAl沉淀硬化、奧氏體和WC晶粒細(xì)化以及WC晶界偏聚的共同影響下，合金硬度上升，抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，在添加Ni3Al含量為1.4%時(shí)，分別達(dá)到最大值。

[1] 龍堅(jiān)戰(zhàn), 夏艷萍, 陳 沖, 陸必志, 易茂中, 武文花. Al含量對TiC-Fe鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織與性能的影響[J]中國有色金屬學(xué)報(bào), 2016, 26(2): 383?391. LONG Jian-zhan, XIA Yan-ping, CHEN Chong, LU Bi-zhi, YI Mao-zhong, WU Wen-hua. Effects of Al content on microstructure and mechanical properties of TiC-Fe alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(2): 383?391.

[2] 熊擁軍, 李溪濱, 劉如鐵, 趙福安. 新型TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金致密化技術(shù)[J]中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 40(6): 1563?1567. XIONG Yong-jun, LI Xi-bin, LIU Ru-tie, ZHAO Fu-an. Densification processing of a new steel bonded titanium carbide[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2009, 40(6): 1563?1567.

[3] 尤顯卿, 鄭玉春, 程娟文, 任 昊. 熱應(yīng)力作用下碳化鎢基鋼結(jié)硬質(zhì)合金梯形裂紋的形成機(jī)理[J]中國有色金屬學(xué)報(bào), 2003, 13(5): 1098?1102. YOU Xian-qing, ZHEN Yu-chun, CHENG Juan-wen, REN Hao. Formation mechanism of trapezoid crack in WC steel bonded carbide under action of thermal stress[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2003, 13(5): 1098?1102.

[4] 張 雷, 陳 文, 孫海身, 解傳娣, 李國平, 郭麗波. TiC含量對鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織和性能的影響[J]稀有金屬與硬質(zhì)合金, 2016, 23(6): 64?67. ZHANG Lei, CHEN Wen, SUN Hai-shen, XIE Chuan-di, LI Guo-ping, GUO Li-bo. Effects of TiC contents on microstructure and properties of steel-bonded cemented carbide[J]. Rare Metals and Cemented Carbides, 2016, 23(6): 64?67.

[5] 陳 駿, 郭志猛, 羅 驥, 陳存廣, 陳 文. 稀土添加量對TiC基鋼結(jié)硬質(zhì)合金性能的影響[J]粉末冶金工業(yè), 2015, 25(3): 12?16. CHEN Jun, GUO Zhi-meng. LUO Ji, CHEN Cun-guang, CHEN Wen. Effect of rare earth addition on properties of TiC-based steel bonded carbide[J]. Powder Metallurgy Industry, 2015, 25(3): 12?16.

[6] 株洲硬質(zhì)合金廠. 鋼結(jié)硬質(zhì)合金[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1982: 1?4. Zhuzhou Cemented Carbide Factory. Steel-bonded carbide[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1982: 1?4.

[7] KAKESHITA T, WAYMAN C M. Martensitic transformation in cermets with metastable austenitic binder: II. TiC-Fe-Ni-C[J]Materials Science and Engineering A, 1991, 147(1): 85?92.

[8] KAKESHITA T, WAYMAN C M. Martensitic transformations in cermets with a metastable austenitic binder I: WC-(Fe-Ni-C)[J]Materials Science & Engineering A, 1991, 141(2): 209?219.

[9] 朱 斌, 柏振海, 高 陽, 羅兵輝. WC粒度對WC-15Fe-5Ni硬質(zhì)合金組織與性能的影響[J]中國有色金屬學(xué)報(bào), 2016, 26(5): 1065?1074. ZHU Bin, BO Zhen-hai, GAO Yang, LUO Bing-hui. Effects of WC particle size on microstructure and properties of WC-15Fe-5Ni cemented carbides[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(5): 1065?1074.

[10] KIM H, SUH D W, KIM N J. Fe-Al-Mn-C lightweight structural alloys: A review on the microstructures and mechanical properties[J]Science and Technology of Advanced Materials, 2013, 14(1): 14205?14215.

[11] CHEN X, QI J Q, SUI Y W, HE Y Z, WEI F X, MENG Q K, SUN Z. Effects of aluminum on microstructure and compressive properties of Al-Cr-Fe-Ni eutectic multi-component alloys[J]Materials Science & Engineering A, 2017, 681(3): 25?31.

[12] SAGARADZE V V, SHABASHOV V A, KATAEVA N V, KOZLOV K A, KUZNETSOV A R, LITVINOV A V. The anomalous diffusion processes “dissolution-precipitation” of the′ phase Ni3Al in an Fe-Ni-Al alloy during low-temperature deformation[J]Materials Letters, 2016, 172: 207?210.

[13] 石照夏, 顏曉峰, 裴丙紅, 段春華, 趙明漢, 何云華. 一種新型Fe-Ni-Cr基高溫合金組織特征及平衡相析出熱力學(xué)研究[J]稀有金屬材料與工程, 2016, 23(6): 1539?1544. SHI Zhao-xia, YAN Xiao-feng, PEI Bing-hong, DUAN Chun-hua, ZHAO Ming-han, HE Yun-hua. Microstructural characteristics and thermodynamic calculation on equilibrium precipitated phases of a new-type Fe-Ni-Cr based superalloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2016, 23(6): 1539?1544.

[14] 肖代紅, 李秀秀, 申婷婷, 宋旼. 添加LaB_6對超細(xì)晶WC-Ni_3Al合金的組織與力學(xué)性能影響[J]中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 46(1): 81?87. XIAO Dai-hong, LI Xiu-xiu, SHEN Ting-ting, SONG Min. Effect of LaB6addition on microstructure and mechanical properties of ultrafine grain WC-Ni3Al alloys[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(1): 81?87.

[15] CONTRERAS-PIEDRAS E, DORANTES-ROSALES H J, LóPEZ-HIRATA V M, SANTIAGO F H, GONZáLEZ- VELáZQUEZ J L, LóPEZ-MONRROY F I. Analysis of precipitation in Fe-rich Fe-Ni-Al alloys by diffusion couples[J]Materials Science & Engineering A, 2012, 558(4): 366?370.

[16] 吳 強(qiáng), 肖建中, 崔 昆, 胡鎮(zhèn)華. 鋼結(jié)硬質(zhì)合金中的硬質(zhì)相[J]稀有金屬材料與工程, 1991, 13(2): 76?80. WU Qiang, XIAO Jian-zhong, CUI Kun, HU Zhen-hua. Hard phase in steel bonded carbide[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 1991, 13(2): 76?80.

[17] ZHANG L, WANG J, DU Y, HU R, NASH P, LU X, JIANG C. Thermodynamic properties of the Al-Fe-Ni system acquired via a hybrid approach combining calorimetry, first-principles and CALPHAD[J]Acta Materialia, 2009, 57(18): 5324?5341.

[18] UHRENIUS B. Calculation of phase equilibria in the Fe-W-C system[J]Calphad-computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry, 1980, 4(3): 173?191.

[19] 田素貴, 謝廣亮, 謝 君. MC型碳化物自粉末鎳基合金中析出的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力[J]沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(6): 618?623. TIAN Su-gui, XIE Guang-liang, XIE Jun.Thermodynamic driving force for precipitation of MC carbides in nickel-based P/M alloy[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2013, 35(6): 618?623.

[20] GEDEVANISHVILI S, DEEVI S C. Processing of iron aluminides by pressureless sintering through Fe+Al elemental route[J]Materials Science and Engineering A, 2002, 325(1): 163?176.

[21] WEIDOW J, OLSSON E, ANDRéN H. Chemistry of binder phase grain boundary in WC-Co based cemented carbide[J]International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2013, 41(4): 366?369.

Effects of Ni3Al content on microstructure and properties of WC based steel bonded carbide

CHEN Fei1, LONG Jian-zhan1, 2, 3, CHEN Chong1, LI Qiang3, SHEN Meng-long3, XIA Yan-ping2, 3, RAN Li-ping1

(1. State Key Laboratory for Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of Cemented Carbide, Zhuzhou Cemented Carbide Group Co., Ltd., Zhuzhou 412000, China; 3. Research and Development Center of Hard-metal, Zhuzhou Cemented Carbide Group Co., Ltd., Zhuzhou 412000, China)

In order to improve the performance of WC based steel bonded carbide, the effects of Ni3Al content on microstructure and properties of WC-Fe(Cr, Mo) steel bonded carbide were explored based on thermodynamic calculation. The alloys with different Ni3Al contents (0, 0.5%, 1.0%, 1.4%, mass fraction) were prepared by liquid phase sintering method through adding Al with the form of Ni3Al prealloyed powders. The liquidus temperature, phase composition and microstructure of alloys were analyzed by the differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscope (SEM) and metalloscope, respectively. The effects of Ni3Al content on the mechanical and magnetic properties of alloys were investigated.The results show that, with the increase of Ni3Al content,-Fe content increase, due to the improved stabilities of austenite through the solution of Ni element. The driving force for the nucleation of the-binder precipitating from liquid phase at 1250℃ increases, which refines the grains, NiAl precipitation in the binder phase increases. The hard phases are mainly WC and Fe3W3C, with the increase of Ni3Al content, more C element dissolves in-Fe binder phase, which leads to a less precipitation of Fe3W3C, refined WC grains are distributed more dispersedly. Above all, with the increase of Ni3Al content, the density of alloys decreases slightly. The magnetic saturation of binder phase decreases while coercive force increases. The hardness of alloys raises while the transverse rupture strength of alloys first decreases, then increases. Both the hardness and transverse rupture strength reach maximum value when the Ni3Al content is 1.4%.

WC based steel bonded carbide; Fe-Ni-Al binder phase; microstructure; property

(編輯 李艷紅)

Project(2016JJ5041) supported by Natural Science Foundation of Hunan Province, China

2016-12-29;

2017-04-27

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016JJ5041)

2016-12-29；

2017-04-27

冉麗萍，教授，博士；電話：0731-88830894；E-mail：rlp101@126.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.01.15

1004-0609(2018)-01-0126-09

TF125.3

A