團粒/基體體積比對網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金組織結(jié)構(gòu)及性能的影響

唐 煒 ，楊樹忠 ，郭永忠 ，肖穎奕 ，歐立明 ，譚敦強

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.江西省鎢與稀土功能合金材料工程實驗室，江西 贛州 341000；3.江西鎢業(yè)控股集團有限公司，江西 南昌 330096；4.江西江鎢硬質(zhì)合金有限公司，江西 宜春 330699；5.南昌大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330031）

0 引 言

傳統(tǒng)礦用硬質(zhì)合金的顯微組織結(jié)構(gòu)均勻，WC顆粒均勻地分布在鈷粘結(jié)相中。這種組織特征決定了硬質(zhì)合金存在硬度與強度、韌性矛盾：提高硬度導(dǎo)致強度、韌性降低，提高強度、韌性則硬度降低[1-3]。新型結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，如板狀晶[4-5]、非均勻結(jié)構(gòu)[6-7]、梯度結(jié)構(gòu)[8]和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金[9-14]等成為研發(fā)兼具高硬高強韌硬質(zhì)合金的熱點。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金（以下簡稱“網(wǎng)狀合金”）是將一定比例的高硬度硬質(zhì)合金團粒添加到高強韌的金屬或硬質(zhì)合金基體中，通過粉末冶金工藝獲得的一種高硬團粒均勻分布在高強韌網(wǎng)狀基體中的新型顯微組織結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金。網(wǎng)狀合金中，高硬度的團粒增加了合金的耐磨性，高強韌的網(wǎng)狀基體起到強韌化作用，從而提高了網(wǎng)狀合金的綜合力學性能。

網(wǎng)狀合金這一概念于20世紀90年代末由美國專利[9]首次公開，問世時間較短。目前，國內(nèi)外網(wǎng)狀合金研究報道主要集中在制備技術(shù)工藝方面，而力學性能研究報道有限。鄭清藝[10]以WC-15 Ni（WC晶粒度為0.3 μm）為基體原料，以WC-10 Ni（WC晶粒度為1 μm）為團粒原料，制備了WC-Ni網(wǎng)狀合金。WC-Ni網(wǎng)狀合金維氏硬度和斷裂韌性分別隨著團粒含量的增加而呈現(xiàn)降低和增大的趨勢。張顥等[11-1 2]開展真空燒結(jié)和壓力燒結(jié)制備網(wǎng)狀合金時發(fā)現(xiàn)，壓力燒結(jié)能夠明顯降低孔隙度。作者深入了網(wǎng)狀合金抗彎強度影響因素探索，結(jié)果表明：網(wǎng)狀合金強度與孔隙度和基體強度密切相關(guān)，而團粒的強度和混合比例對抗彎強度影響較小[12]。團粒強度與團粒WC晶粒度和Co含量直接相關(guān)，混合比例也顯著影響網(wǎng)狀合金整體的晶粒度和Co含量。因此，無論從晶粒度還是Co含量角度分析，團粒的強度和混合比例對網(wǎng)狀合金應(yīng)該有較大影響。

本研究選擇YG6牌號硬質(zhì)合金原料，選擇YG8C牌號混合料為基體原料，制備網(wǎng)狀合金，研究團粒基體體積配比對網(wǎng)狀合金組織結(jié)構(gòu)和力學性能的影響，并初步探討其影響機理。

1 試驗方法

分別以中顆粒WC粉（FSSS粒度為2.7 μm）和粗顆粒WC粉（FSSS粒度為4.2 μm）為團粒和基體的硬質(zhì)相原料，以Co為黏結(jié)劑，依次經(jīng)配料、濕磨、干燥過篩、摻入成型劑和制粒，制備出YG6團粒和YG8C基體料漿。YG6和YG8C牌號硬質(zhì)合金的成分配比見表1所示。YG6團粒和YG8C基體料漿（以固體物質(zhì)計）按照表2所示的配比，依次經(jīng)混合、干燥過篩、壓制成型和低壓燒結(jié)制備出5款網(wǎng)狀合金。網(wǎng)狀合金的制備工藝流程[13-15]如圖1所示。本研究的低壓燒結(jié)最高溫度為1420℃，氣壓壓力為2MPa。

分別使用瑞士METTLER TOLEDO XS204型密度天平、法國SETARAM LCT7271-1型鈷磁測定儀和韓國Sukjin Industries SJ-CM-2000型矯頑磁力測量儀、日本FT LC200R型洛氏硬度計測試網(wǎng)狀合金的密度、鈷磁、矯頑磁力和硬度HRA；使用美國美特斯CMT5105型萬能實驗機測試網(wǎng)狀合金PS21試樣的抗彎強度，測試條件：跨距為14.5mm，壓頭加載速率為0.1mm/min；分別使用美國FEI Inspect F50型場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）和德國Carl Zeiss Axiovert 40 MAT金相顯微鏡對合金的顯微組織進行觀察。顯微組織觀察前，合金試樣依次經(jīng)鑲樣、磨拋和Murakami試劑的腐蝕處理（YG6、YG8C牌號硬質(zhì)腐蝕3 min，網(wǎng)狀合金腐蝕5 min）。

本研究的密度、鈷磁和矯頑磁力值為2個測得值的平均值，硬度HRA和抗彎強度為6～8個測得值的平均值。

表1 常規(guī)牌號YG6和YG8C成分配比Tab.1 Distribution ratio of conventional grades YG6 and YG8C

圖1 網(wǎng)狀合金制備工藝流程圖Fig.1 Process flow chart for fabricating cellular cemented carbides

2 結(jié)果與討論

團粒料和基體料經(jīng)單獨壓制成型和低壓燒結(jié)制備出YG6和YG8C牌號硬質(zhì)合金。兩個牌號的孔隙度和非化合碳的金相測定結(jié)果均顯示為A02B00C00。圖2顯示了常規(guī)牌號YG6和YG8C的FESEM形貌。從圖中可以看出，兩個牌號的WC晶粒尺寸分布都較寬，并且YG6的晶粒度比YG8C的稍小。兩個牌號的晶粒尺寸分析顯示，YG6和YG8C的晶粒度分別為2.2 μm和2.8 μm。此外，YG6的硬度HRA和抗彎強度分別為90.9和3 188 MPa，YG8C的硬度HRA和抗彎強度分別為88.6和3 342 MPa。綜上所述，兩個常規(guī)牌號硬質(zhì)合金的晶粒度和力學性能均存在差異，說明以YG6為團粒和以YG8C基體制備的網(wǎng)狀合金能夠獲得形貌襯度和具備開展力學性能影響規(guī)律研究的可行性。

5款網(wǎng)狀合金的孔隙度和非化合碳金相測定結(jié)果均顯示為A02B00C00，說明在最高溫度為1420℃，氣壓壓力為2 MPa的低壓燒結(jié)工藝下能夠獲得致密的網(wǎng)狀合金。在使用FESEM觀察顯微組織前，由于YG6（團粒）和YG8C（基體）的晶粒度較接近，為凸顯形貌襯度，使用Murakami試劑對網(wǎng)狀合金的磨拋面進行腐蝕5 min。圖3顯示了不同團粒/基體體積比的網(wǎng)狀合金經(jīng)腐蝕后，放大倍數(shù)分別為100倍和600倍的FESEM形貌。圖中，顏色較淺的為團粒組織，顏色較深的為基體組織。從圖中可以看出，100倍和600倍的放大倍數(shù)下基本觀察不到孔隙和孔洞的存在，與金相測定結(jié)果一致，說明以YG6為團粒，以YG8C為基體，通過粉末冶金技術(shù)和低壓燒結(jié)工藝可以制備出各種團粒/基體體積比且致密的網(wǎng)狀合金。

圖2 常規(guī)牌號YG6和YG8C的FESEM形貌照片F(xiàn)ig.2 FESEM morphology of conventional grades of YG6 and YG8C

圖3 不同團粒/基體體積比的網(wǎng)狀合金FESEM形貌照片F(xiàn)ig.3 FESEM morphology photo of mesh alloy with different aggregate/matrix volume ratio

從圖3中還可以看出，團粒較均勻分布在基體中。隨著團粒/基體體積比的增高，基體的厚度越薄。從放大倍數(shù)為100倍的形貌圖片可以看出，低團粒/基體體積比的網(wǎng)狀合金（如圖3（a）和圖3（c）所示的1#和2#網(wǎng)狀合金顯微組織）基體的厚度不夠均勻，而隨著團粒/基體體積比的增高，基體厚度均勻性隨之提高。這可能是由于成型劑對基體與團粒的黏結(jié)強度小于對基體顆粒與基體顆粒之間的黏結(jié)強度，團粒和基體料在混合過程中，基體料容易從團粒表面脫落，基體顆粒（比團粒尺寸更?。┡c基體顆粒之間更加容易團聚。

圖4顯示了4#網(wǎng)狀合金的團粒/基體界面狀態(tài)。從圖4中可以看出，4#網(wǎng)狀合金團粒和基體的界面并不明顯，這是因為YG6和YG8C的晶粒度較接近且分布均較廣而導(dǎo)致團粒和基體的襯度較小。這同時也導(dǎo)致腐蝕3 min后的金相觀察過程中較難分辨出團粒和基體（如圖4（a）），但從顯示磨拋面腐蝕5 min后的FESEM形貌照片圖4（b）中可以明顯觀察到圓形團粒截面。

圖5顯示了4#網(wǎng)狀合金存在的孔隙。在4#網(wǎng)狀合金的磨拋面腐蝕3 min后的金相照片中，可以明顯觀察到團粒/基體界面上存在兩個尺寸約為0.5～1.0 μm 的孔隙（圖 5（a）），而 4#網(wǎng)狀合金的燒結(jié)態(tài)表面的孔隙更大，尺寸約為 5.0～7.0 μm（圖 5（b））。網(wǎng)狀合金中的孔隙主要是由于團粒和基體的收縮系數(shù)不同，在液相燒結(jié)過程中，收縮不一致而在團粒/基體界面上產(chǎn)生的[12]。

圖4 放大1 000倍4#網(wǎng)狀合金的團粒/基體界面Fig.4 4#mesh alloy's pellet/matrix interface(×1 000 times)

圖5 4#網(wǎng)狀合金存在的孔隙Fig.5 Pores in cellular cemented carbide 4#

張顥等[11-12]通過對比研究真空燒結(jié)和壓力燒結(jié)對網(wǎng)狀合金微觀組織影響，發(fā)現(xiàn)真空燒結(jié)制備的網(wǎng)狀合金孔隙度很高，并出現(xiàn)了＞25 μm的孔洞，孔隙和孔洞均出現(xiàn)在團粒/基體界面上。當采用壓力燒結(jié)時，網(wǎng)狀合金的孔隙度顯著下降。因此，可以推斷網(wǎng)狀合金的致密化主要由液相燒結(jié)過程中的兩個因素決定：（1）液相Co在WC晶粒之間產(chǎn)生毛細管力而驅(qū)Co相遷移和WC晶粒重排，使合金團粒和基體分別收縮致密化。但這一效應(yīng)不能有效填充至因團粒和基體大量收縮而在團粒/基體界面上產(chǎn)生的大孔洞；（2）氣壓壓力的驅(qū)動下，液相Co和WC晶粒均能快速遷移至團粒/基體界面上大孔洞，網(wǎng)狀合金得到較充分致密化。但這一效應(yīng)對網(wǎng)狀合金表面的孔隙愈合無效果。

將團粒/基體體積比換算成團粒在網(wǎng)狀合金中的體積含量，并以此為橫坐標對網(wǎng)狀合金的理論密度、實測密度和實測與理論密度之差作圖，如圖6所示。圖中團粒在網(wǎng)狀合金中的體積含量為0時，對應(yīng)了YG8C的數(shù)據(jù)；體積含量為100時，對應(yīng)了YG6的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，所有網(wǎng)狀合金均已達到了理論密度水平，說明網(wǎng)狀合金已較充分致密化，這與圖3所示的FESEM形貌圖片顯示的結(jié)果一致。此外，合金的密度隨著團粒體積含量的增加而線性增大。完全致密化的合金，密度只與合金中的物相組成相關(guān)。隨著團粒的增加，合金中Co含量呈線性減小，密度則呈線性增大。

合金的矯頑磁力和鈷磁隨YG6含量的變化趨勢如圖7所示。從圖7可以看出，網(wǎng)狀合金的矯頑磁力和鈷磁分別隨著團粒體積含量的增加而線性升高和降低。WC-Co硬質(zhì)合金的鈷磁主要受Co含量和總碳含量的影響。Co含量越低，總碳含量越低，Co磁越低。研究中，網(wǎng)狀合金的總碳含量和Co含量均與團粒在網(wǎng)狀合金中的含量呈線性關(guān)系。WC-Co硬質(zhì)合金的矯頑磁力主要受Co含量和WC晶粒度的影響。晶粒越小越均勻，Co含量越低，矯頑磁力越大。研究中，隨著團粒的增加，合金的晶粒度呈線性減小，Co含量呈線性減少，則矯頑磁力隨之呈線性升高。

圖6 合金的理論密度、實測密度及二者的差值隨YG6含量的變化趨勢Fig.6 Variation trend of the theoretical density,measured density and their difference of the alloy with the content of YG6

圖7 合金的矯頑磁力和鈷磁隨YG6含量的變化趨勢Fig.7 Variation trend of coercive force and cobalt magnetism with YG6 content

圖8顯示了合金的硬度HRA和抗彎強度隨YG6含量的變化趨勢。圖中顯示，合金的硬度HRA隨著團粒體積含量的增加而直線增大。在合金基本致密化的條件下，WC-Co硬質(zhì)合金的硬度主要受Co含量和WC晶粒度的影響。Co含量越低，WC晶粒度越低，則硬度越大。

圖8 合金的硬度HRA和抗彎強度隨YG6含量的變化趨勢Fig.8 Variation trend of alloy hardness HRA and bending strength with YG6 content

圖8顯示，合金的抗彎強度數(shù)值波動較大。這主要是因為抗彎強度樣品的表面狀態(tài)和存在的孔隙造成的。對YG8C、YG6和5個網(wǎng)狀合金的抗彎強度平均值進行線性擬合發(fā)現(xiàn)，合金的抗彎強度具有隨合金中YG6體積含量的增加而線性降低的趨勢。在一般情況下，在較窄的Co含量范圍內(nèi)，中粗晶硬質(zhì)合金的抗彎強度隨Co含量的降低而降低，隨晶粒度的降低而降低[16]。5款網(wǎng)狀合金的晶粒度范圍為：2.2～2.8 μm，鈷含量范圍在6.2%～7.0%之間。隨著YG6含量的增加，晶粒度和鈷含量均呈線性降低。因此，網(wǎng)狀合金的抗彎強度表現(xiàn)出隨著YG6含量的提高而具有降低的趨勢。

從圖8中還可以看出，網(wǎng)狀合金抗彎強度值的波動明顯比傳統(tǒng)牌號硬質(zhì)合金要大，即網(wǎng)狀合金抗彎強度穩(wěn)定性較差，這是因網(wǎng)狀合金的團粒/基體界面處和燒結(jié)表面仍存在少量孔隙導(dǎo)致的。

由此可見，網(wǎng)狀合金的物理、力學性能均隨著合金中YG6體積含量的增加而呈線性變化的趨勢。使用式（1）和式（2）表達網(wǎng)狀合金的物理力學性能P與團粒體積含量ω的關(guān)系。

式中：P為網(wǎng)狀合金的物理、力學性能數(shù)據(jù)；i代表基體合金；j代表團粒合金；ω為團粒在網(wǎng)狀合金中的體積含量，%（體積分數(shù)）。

不難看出，網(wǎng)狀合金的密度、磁力、硬度與合金中團粒體積含量的關(guān)系滿足式（1），而鈷磁、抗彎強度滿足式（2）。

綜上所述，網(wǎng)狀合金的硬度和強度均介于團粒和基體之間，即網(wǎng)狀合金的硬度相對于基體提高，而強度相對于團粒有所改善。網(wǎng)狀合金抗彎強度硬度測試值是對宏觀材料測試獲得的整體體現(xiàn)脆性材料綜合性能的數(shù)值，而硬度HRA測試值也是壓痕大小超過基體厚度和團粒尺寸所反映出的數(shù)值，是基體和團粒的綜合硬度值。因此，網(wǎng)狀合金的優(yōu)勢并不在于獲得介于團粒和基體對應(yīng)性能的居中的硬度和抗彎強度測得值。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的在于，在高硬度的團粒周圍增加更高強韌（相對于團粒）的基體，獲得保持高耐磨性的同時，提高材料整體的強韌性。

3 結(jié) 論

采用粉末冶金技術(shù)和最高燒結(jié)溫度為1 420℃、氣壓壓力為2MPa的低壓燒結(jié)工藝制備出了孔隙度和非化合碳金相結(jié)果為A02B00C00的網(wǎng)狀合金，故團粒含量對網(wǎng)狀合金的顯微組織和性能存在以下影響。

（1）網(wǎng)狀合金的團粒/基體界面存在少量的0.5μm左右的孔隙。

（2）網(wǎng)狀合金的物理力學性能均與團粒/基體積比呈線性變化規(guī)律。

（3）網(wǎng)狀合金的抗彎強度穩(wěn)定性較差，主要是受團粒/基體界面和燒結(jié)表面存在的少量較大的孔隙的影響。