TLMW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金石墨化機(jī)理研究1

高志國

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

磨損是材料失效的主要形式之一，在很多領(lǐng)域耐磨性往往是材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決定性指標(biāo).硬質(zhì)合金（如以碳化鎢WC作硬質(zhì)相，以鈷Co作粘結(jié)劑）具有優(yōu)異的耐磨性能，是一類應(yīng)用十分廣泛的耐磨材料，常被材料科學(xué)界人士比喻為工業(yè)的“牙齒”和“拳頭”.但硬質(zhì)合金韌性差、材料制備成本高，將硬質(zhì)合金整體用于耐磨構(gòu)件不僅難于加工、成本高，而且在整體力學(xué)性能等方面也難以滿足要求.以普通金屬材料（如低碳鋼）為粘結(jié)相，以WC等作為增強(qiáng)相，運(yùn)用相同的工藝技術(shù)生產(chǎn)路線，可以有效解決材料耐磨性能與整體力學(xué)性能、成形加工及成本之間的矛盾，是耐磨構(gòu)件的理想材料，可以在較為苛刻的工況條件下廣泛應(yīng)用.鋼結(jié)硬質(zhì)合金因其粘結(jié)相為合金鋼，綜合機(jī)械性能優(yōu)越于硬質(zhì)合金，不僅兼顧了硬質(zhì)合金的優(yōu)點(diǎn)，而且綜合了工具鋼與碳鋼的各自性能等優(yōu)勢［1-5］，廣泛應(yīng)用于工模具制造領(lǐng)域.然而，在鋼結(jié)硬質(zhì)合金這一制造領(lǐng)域中，有類似產(chǎn)品性能不足、局部缺陷等等比較常見的生產(chǎn)質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率和成材率.本文對(duì)熱處理態(tài)TLMW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金試樣中出現(xiàn)的局部石墨化問題進(jìn)行微觀分析，結(jié)合相圖揭示其石墨化機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件的制作

將按照國家牌號(hào)TLMW50化學(xué)成分設(shè)計(jì)、配制、球磨、攪拌均勻的金屬混合粉末添加1%-2%膠水作為粘結(jié)劑，填入模具內(nèi)壓實(shí)成形（TLMW50化學(xué)成分見表1）.將成形后的混合粉末壓坯置于ZGL型真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行液相燒結(jié).利用Calphad相圖軟件計(jì)算確定預(yù)燒溫度為800℃，實(shí)際燒結(jié)溫度為1350℃，保溫時(shí)間為1h.試驗(yàn)用金屬粉末是按照鋼結(jié)硬質(zhì)合金的TLMW50的化學(xué)成分配制，配比見表1.

表1 試驗(yàn)所用TLMW50試樣化學(xué)成分

1.2 試件的熱處理

對(duì)燒結(jié)態(tài)鋼結(jié)硬質(zhì)合金TLMW50試樣進(jìn)行1050℃、1100℃淬火處理.采用箱式爐淬火加熱，在淬火溫度上保溫0-5h，保溫后迅速進(jìn)行油淬，在油中靜置時(shí)間大約5-10min.采用箱式爐對(duì)淬火后試樣進(jìn)行回火處理，回火溫度為250℃，保溫時(shí)間為2h，空冷至室溫.

1.3 試件的SEM觀察

采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）分析熱處理前后鋼結(jié)硬質(zhì)合金TLMW50試樣微觀組織.

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)試樣微觀結(jié)構(gòu)

圖1 燒結(jié)態(tài)鋼結(jié)硬質(zhì)合金TLMW50試樣SEM照片

燒結(jié)態(tài)鋼結(jié)硬質(zhì)合金TLMW50試樣SEM照片如圖1所示.圖中主要呈現(xiàn)出許多Fe2W2C、Fe3W3C形式復(fù)式碳化物［3］，這些復(fù)式碳化物顆粒大多具有菱形、三角形、平行四邊形等形狀.之所以出現(xiàn)較多的耐磨性較好的復(fù)式碳化物，是因?yàn)橛蒄e、C、W元素形成的合金體系中原子互擴(kuò)散遷移，基于擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力，難溶的WC核的表面的Fe、C等元素會(huì)與WC高溫聚集長大共生.

2.2 熱處理對(duì)試樣石墨化和析出的影響

圖2 熱處理對(duì)TLMW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金石墨化影響

經(jīng)過1050℃和1100℃溫度下淬火后均在250℃回火，微觀組織照片如圖2所示.由圖可知，與圖1燒結(jié)態(tài)試樣的微觀形貌比較后發(fā)現(xiàn)熱處理前后的試樣微觀組織形貌中有明顯的變化，淬火回火處理后的鋼結(jié)硬質(zhì)合金TLMW50微觀組織中除了發(fā)現(xiàn)有三角狀、菱形狀WC相析出分解分布在復(fù)式碳化物Fe3W3C、Fe2W2C相顆粒上之外，還發(fā)現(xiàn)局部黑色的斑點(diǎn)（圖中箭頭所指）.這一事實(shí)，歸因于高溫?zé)崽幚砝鋮s時(shí)C元素的石墨化析出.

2.3 石墨形成機(jī)理

石墨化是把焙燒制品置于石墨化爐內(nèi)保護(hù)介質(zhì)中加熱到高溫，使六角碳原子平面網(wǎng)格從二維空間的無序重疊轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間的有序重疊，且具有石墨結(jié)構(gòu)的高溫?zé)崽幚磉^程.對(duì)于作為粘結(jié)相的TLMW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金而言，真實(shí)含碳量是3.53%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過的碳在γ—Fe中的最大溶解度，屬于鑄鐵范疇.在1050-1100℃高溫條件下進(jìn)行淬火熱處理，粘結(jié)相冷卻時(shí)鑄鐵中滲碳體會(huì)分解為石墨和鐵素體.事實(shí)上，影響其石墨化過程主要因素是化學(xué)成分、冷卻速率和高溫保溫時(shí)間.前提條件是對(duì)于固態(tài)相變石墨的形核及碳的擴(kuò)散能力起重要作用.由于溫度較高時(shí)，原子的擴(kuò)散比較容易，因此實(shí)際上滲碳體在高溫時(shí)分解比較容易，原子遠(yuǎn)距離擴(kuò)散才有可能進(jìn)行.按照本文設(shè)計(jì)的化學(xué)成分，利用calphad軟件計(jì)算出相圖如圖3所示.由圖可知，高溫條件下粘結(jié)相與WC在一個(gè)系統(tǒng)中冷卻，不僅面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）的奧氏體會(huì)析出為體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)的鐵素體，滲碳體也會(huì)分解為石墨和鐵素體，而WC熔點(diǎn)較高，始終存在于合金體系中.這一理論結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了圖2的微觀分析結(jié)論.

事實(shí)上，因石墨化產(chǎn)生了試樣局部性能急劇下降等不利影響，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，在TLMW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金生產(chǎn)過程中需要防止工件石墨化.

圖3 Fe-WC計(jì)算相圖垂直截面

3 結(jié)論

（1）燒結(jié)態(tài)鋼結(jié)硬質(zhì)合金TLMW50微觀組織中存在大量的復(fù)式碳化物硬質(zhì)相，是由Fe、C、W元素形成的合金體系中原子互擴(kuò)散遷移，F(xiàn)e、C等元素會(huì)與難溶的WC顆粒表面高溫聚集長大共生.

（2）針對(duì)TLMW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金試樣，在1050-1100℃高溫條件下保溫一段時(shí)間再進(jìn)行淬火，回火熱處理后的試樣進(jìn)行微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)相冷卻時(shí)分解為石墨和鐵素體，石墨的形核及碳的擴(kuò)散即石墨化過程是造成產(chǎn)品性能不足、局部缺陷的常見的生產(chǎn)質(zhì)量問題的主要原因，利用calphad軟件計(jì)算相圖從理論上進(jìn)一步證實(shí)了石墨化過程.