抑制劑對(duì)超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金性能的影響

陳 慧，欒道成，王正云，陳勤文，李重典

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引言

生產(chǎn)超細(xì)晶WC硬質(zhì)合金一般通過兩種途徑來抑制燒結(jié)過程中WC晶粒的長大：一是改進(jìn)燒結(jié)方式，適當(dāng)降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間；另一種途徑就是在合金中添加少量晶粒長大抑制劑，添加抑制劑能夠有效阻止WC晶粒在燒結(jié)過程中的長大，并且可以使WC晶粒更加的均勻［1-3］，從而改善合金性能。

抑制劑以細(xì)散顆粒存在于WC、Co粉基體中，其有效利用率受WC粒度大小，粘結(jié)相含量多少，分布均勻程度及抑制劑本身粒度，添加種類和分布均勻性等因素的制約［4-6］。本實(shí)驗(yàn)采用VC、Cr3C2、TaC和Y2O3作為晶粒長大抑制劑，研究抑制劑的預(yù)磨時(shí)間對(duì)抑制劑粒度的影響，抑制劑粒度對(duì)WC-10Co硬質(zhì)合金粒度及燒結(jié)試樣性能的影響，以及相同抑制劑配比對(duì)Co含量不同的硬質(zhì)合金性能的影響和稀土對(duì)硬質(zhì)合金性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

（1）本實(shí)驗(yàn)主要原料粉體的基本參數(shù)如表1所示，由于Co粉較軟，球磨40h后粒度達(dá)到0.3μm，達(dá)到所需粒度要求。原料WC粉和球磨40hCo粉的SEM照片如圖1所示。

表1 原料粉體的基本參數(shù)

圖1 原料WC粉粒度和球磨40hCo粉粒度SEM

（2）實(shí)驗(yàn)方法：將VC、Cr3C2、TaC和Y2O3分別在行星式球磨機(jī)中球磨，在轉(zhuǎn)速相同（200r/min）的情況下，采用不同球磨時(shí)間（0h、60h、100h、120h），并對(duì)球磨后的粉末進(jìn)行SEM掃描觀察。按不同抑制劑配方，試樣編號(hào)為A、B兩組，其中A組抑制劑配方為1％（VC+Cr3C2+TaC），B組抑制劑配方為1％（VC+Cr3C2+TaC+Y2O3），粉末原料按成分配比計(jì)量后，加入酒精在高頻超聲波清洗器中震蕩2h，以2％的固體石蠟作為成型劑，按球料比10∶1，球磨24h，以達(dá)到使原料粉末充分分散均勻的目的。壓力成型后經(jīng)真空燒結(jié)爐排蠟預(yù)燒結(jié)后燒結(jié)成型。

（3）分析測(cè)試：用排水法測(cè)試密度及致密度，用HR-150A型洛氏硬度儀測(cè)定硬質(zhì)合金的洛氏硬度（HRA），SEM檢測(cè)粉末粒度及試樣斷口形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)磨時(shí)間對(duì)抑制劑粒度的影響

預(yù)磨后VC、Cr3C2、TaC和Y2O3的粒度與抑制劑預(yù)磨時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。不同預(yù)磨時(shí)間的VC粉末SEM如圖3所示。

圖2 預(yù)磨時(shí)間與抑制劑粒度的關(guān)系

從圖2中可以看出，在0～60h之間，隨著預(yù)磨時(shí)間的增加，各種抑制劑粉體的顆粒粒度明顯下降。預(yù)磨時(shí)間從60h到120h，粉末粒徑進(jìn)一步細(xì)化。從圖3（c）中可以看出VC球磨到100h時(shí)粉體出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚，到120h時(shí)團(tuán)聚現(xiàn)象有所改善。通過對(duì)其他3種抑制劑粉體粒度的SEM觀察，發(fā)現(xiàn)均有此規(guī)律。

圖3 不同預(yù)磨時(shí)間下VC粉體SEM

2.2 抑制劑預(yù)磨時(shí)間對(duì)WC-10Co性能的影響

采用B組抑制劑配方1％（VC+Cr3C2+TaC+Y2O3），研究抑制劑預(yù)磨時(shí)間對(duì)WC-10Co性能的影響。表2所示隨著預(yù)磨時(shí)間的增加，合金的硬度也逐漸地增加。在預(yù)磨時(shí)間0～60h和100～120h這兩個(gè)階段，合金的硬度增加明顯，而在60～100h這個(gè)階段硬度的上升不大。預(yù)磨時(shí)間為120h時(shí)硬度值最高為92.1HRA。但是密度和致密度的變化沒有明顯的規(guī)律。

表2 抑制劑預(yù)磨時(shí)間對(duì)試樣性能的影響

圖4是加入不同預(yù)磨時(shí)間下的抑制劑粉體燒結(jié)后WC-10Co硬質(zhì)合金SEM斷口形貌。從圖4中可以看出，隨著抑制劑預(yù)磨時(shí)間的增加，WC晶粒尺寸逐漸減小。但是都存在個(gè)別晶粒明顯長大的現(xiàn)象，主要是由于抑制劑加入方法的原因，在抑制劑和合金粉體混合不夠充分時(shí)，造成抑制劑在粉體中分散不均勻，導(dǎo)致局部晶粒長大，從而降低材料的性能［7］。

圖4 WC-10Co硬質(zhì)合金SEM斷口形貌

2.3 抑制劑對(duì)不同Co含量硬質(zhì)合金性能的影響

抑制劑對(duì)不同Co含量硬質(zhì)合金性能的影響見表3。

表3 相同抑制劑配方對(duì)Co含量不同的硬質(zhì)合金性能的影響

從表3中可以看出，A、B兩組試樣的硬度和致密度均隨Co含量的降低而提高，其原因?yàn)樵谝欢囟认?，YG6粘結(jié)相Co含量最低且平均自由程短，抑制劑的作用最容易發(fā)揮［8-9］。

2.4 Y2O3對(duì)硬質(zhì)合金性能的影響

對(duì)比表3中A、B兩組試樣，B組中試樣硬度和致密度均高于A組試樣。圖5所示為A組YG10合金與B組YG10合金的斷口形貌。從（a）中可以看出合金未添加稀土氧化物Y2O3有孔洞存在，且晶粒大小分布不均勻。（b）中合金添加了稀土氧化物Y2O3，與（a）相比晶粒細(xì)小且排列緊密，組織結(jié)構(gòu)較均勻，這是由于稀土的添加會(huì)降低鈷出現(xiàn)液相的溫度，減少燒結(jié)時(shí)的液相量，相應(yīng)地縮短了WC溶解析出過程，抑制了晶粒的長大，另外加入稀土添加劑可與合金中的O、S等雜質(zhì)元素反應(yīng)形成難熔的化合物，減少氣體的析出和空隙的產(chǎn)生［10-12］，因此加入稀土氧化物Y2O3的YG10合金具有更高的致密度和硬度。

圖5 A組YG10合金與B組YG10合金的斷口形貌

3 結(jié)論

（1）隨著球磨時(shí)間的增加，各種抑制劑粉體的顆粒粒度明顯的下降，同時(shí)隨著抑制劑預(yù)磨時(shí)間的增加，WC晶粒尺寸逐漸減小。

（2）加入預(yù)磨時(shí)間為120h，抑制劑配方為1％（VC+Cr3C2+TaC+Y2O3）的WC-10Co硬質(zhì)合金，平均粒度為0.3μm，致密度為99.42％，硬度達(dá)到92.1HR。

（3）加入相同抑制劑配比的硬質(zhì)合金，硬度隨Co含量的降低而增大，密度提高。

（4）加入適量的稀土氧化物Y2O3，有利于改善硬質(zhì)合金的性能。

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