磁場淬火處理對硬質合金組織和性能的影響

李薦 ，郭欣，姚建軍，周宏明，楊俊，江彬彬

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083 2. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙，410083 3. 南通江海電容器股份有限公司，江蘇 南通，226361)

硬質合金以其高硬度、高耐磨性和高的紅硬性等優(yōu)良性能著稱，作為耐磨、耐高溫和耐腐蝕零部件廣泛應用于工具、刀具、量具和模具。但硬質合金仍存在韌性較低的缺點，妨礙著它在一些場合下的應用。為改善其韌性提高其強度，有研究者采用熱處理技術強化硬質合金。但關于熱處理的強化機制，各研究者的觀點頗不一致，有的強調顯微結構的變化[1-2]，有的將 WC-Co合金強度和韌性的改善歸結為淬火后合金應力的改變[3-4]，有的認為熱處理改變合金中γ相的結構組成和形貌是其強化原因[5]，但普遍認為熱處理是一種行之有效的強化鈷基硬質合金的方法。近年來，孫忠繼[6]提出磁場淬火對鋼的性能改善作用明顯，能大幅度提高材料的強度和韌性，并指出高溫順磁性奧氏體在外強磁場的作用下可發(fā)生磁化變形，使奧氏體形成高密度的位錯胞結構，并有彌散碳化物析出；這種位錯胞結構在淬火后被馬氏體繼承并限制了馬氏體長大，細化了組織，從而使經(jīng)磁場淬火的材料獲得強韌化效果[7]。鈷作為黏結相廣泛用于鈷基硬質合金中，鈷也屬于一種磁性物質，具有一定的鐵磁性能[8]，因此采用磁場淬火有可能改善鈷基硬質合金性能，但是硬質合金磁場淬火的詳細研究及機理分析還未見報道。本文作者以WC-6%Co為代表的鈷基硬質合金和WC-6%Ni為代表的鎳基硬質合金為研究對象，研究磁場淬火處理后，合金相關物理性能的變化，并結合掃描電鏡和金相分析，探討磁場淬火處理前后合金顯微結構變化與合金性能的關系。

1 實驗方法

試驗樣品為四川科立特硬質合金股份有限公司提供的YG6(WC-6%Co)和YN6(WC-6%Ni)合金。樣品尺寸(長×寬×高)為B型樣21 mm×6.7 mm×5.5 mm和沖擊試樣5 mm×5 mm×50 mm。

合金高溫加熱以及回火都在氬氣保護下于管式電阻爐中進行，高溫加熱(1 100±5) ℃，保溫20～25 min，在圖1(b)所示線圈中進行磁場強度為2 T的磁場淬火15 min后，在管式電阻爐中(500±5) ℃回火3 h，然后空冷。其中磁場淬火采用南京金狼電器生產(chǎn)的長脈沖充磁機，裝置如圖1所示。

試樣經(jīng)粗磨、精磨和拋光后，用HV-10B型小負荷維氏硬度計測定硬度，試驗中每個樣品測量5～6個點，結果去除最高值和最低值后取算術平均值。

抗彎試樣尺寸(長×寬×高)為21 mm×6.7 mm×5.5 mm，在WE-30型液壓萬能材料試驗機上進行抗彎實驗。

圖1 熱磁淬火裝置圖Fig.1 Equipment of magnetic quenching

在JX-6300擺捶式?jīng)_擊機上，將尺寸(長×寬×高)為5 mm×5 mm×50 mm的試樣進行一次性沖斷，計算斷裂時樣品所消耗的沖擊功與橫截面的比值即為所測樣品的沖擊韌性，每組試樣不少于5個，測量結果取平均值。

采用Sirion 200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察抗彎試樣斷口和淬火處理前后合金內部組織形貌。

采用Dmax-2500VB X線衍射儀(XRD)分析合金中Co相的相組成，采用電解脫溶方法[5]，將試樣表層的WC相腐蝕掉，使表面形成不含WC相的富鈷層，在 X線衍射儀上對鈷相的面心立方 α-Co(111)衍射線和密排六方ε-Co(103)衍射線步進掃描，用直接對比法定量分析Co相的相組成，進行分析對比。

2 實驗結果與討論

2.1 合金磁場淬火前后的物理性能

合金磁場淬火前后的物理性能如表1所示。由表1可知：對YG6和YN6進行(1 100±5) ℃保溫20～25 min，脈沖磁場強度2 T下淬火15 min后(500±5) ℃回火3 h，空冷后，YG6維氏硬度提高3.02%，橫向斷裂強度提高 18.24%，沖擊韌性提高 24.38%，矯頑磁力提高24.73%；而YN6合金維氏硬度沒有明顯變化，橫向斷裂強度提高 5.92%，沖擊韌性提高 6.97%，矯頑磁力沒有變化；YG6不加磁場直接淬火處理后維氏硬度提高2.38%、橫向斷裂強度提高 11.34%、沖擊韌性提高 14.05%而矯頑磁力沒有變化；可以看出：磁場淬火處理較熱處理對YG6合金的性能提高十分明顯，而磁場淬火處理對YN6合金的性能提高較小。鈷基硬質合金淬火時抑制 α-Co→ε-Co轉變而鎳基硬質合金中黏結相不存在相轉變，另外鈷具有磁性且明顯強于鎳是磁場淬火引起上述變化的原因。

表1 合金相關物理性能Table 1 Physical properties of alloys

2.2 磁場淬火對硬質合金鈷相的影響

對YG6合金的3種試樣采用直接對比方法定量分析各試樣Co相的相成分，分析結果如表2所示。

表2 Co相組成分析(質量分數(shù))Table 2 Composition of Co phase %

從表2可以看出：經(jīng)淬火后YG6合金Co相中α-Co含量較燒結態(tài)時大幅度提高，而磁場淬火較直接熱處理淬火對Co相中α-Co含量的提高作用稍弱。

根據(jù)硬質合金強度理論[9]，鈷相在受力時產(chǎn)生塑性變形，從中松弛應力，協(xié)調兩相應變狀態(tài)，阻礙裂紋的產(chǎn)生及擴展，提高合金強度。Co金屬具有同素異構轉變，室溫下為密排六方結構ε-Co，塑性較差；當加熱至427 ℃以上時轉變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y構α-Co，具有高的塑性與韌性[10]。WC在加熱時雖無相變發(fā)生，但在高溫下W與C將部分溶解于Co基黏結相中，WC在Co相中溶解度隨溫度升高而增加。加熱時ε-Co轉變?yōu)棣?Co，若進行快速冷卻淬火，可抑制α-Co向ε-Co轉變，將溶解有WC的α-Co保留到室溫，保留越多，力學性能愈好[10-11]。淬火后再進行回火，既消除淬火應力，又控制α-Co飽和固溶體分解與彌散析出，達到固溶強化和彌散強化雙重目的，有效提高 WC-Co硬質合金的強韌性。由表2看出：經(jīng)過淬火后硬質合金Co相中α-Co含量大幅度提高，這必然會改善硬質合金的沖擊韌性。磁場淬火與常規(guī)淬火比較，α-Co含量基本相當，但前者較直接熱處理淬火后Co相中α-Co含量提高作用稍弱。

淬火后W和C在Co相中的固溶度增加將導致合金比飽和磁化強度降低，淬火引起的磁疇細化使磁疇壁的總面積增加和顯微應力增加導致合金矯頑磁力升高[12]。而ε-Co存在很強的各向異性，它的出現(xiàn)會導致矯頑磁力升高，α-Co相則會引起矯頑磁力的降低[13]。綜合這2方面因素看來，本研究中YG6合金常規(guī)淬火后矯頑磁力測試并沒有變化可能是這兩者結合作用的結果。磁場淬火后合金矯頑磁力提高作用明顯，主要是外磁場引起合金組織的磁化形變造成的，同時與磁場淬火后α-Co相含量較常規(guī)淬火低有一定的關系。

由于鎳不存在相轉變，在磁場淬火過程中作為黏結相的鎳沒有相變發(fā)生，因此磁場淬火處理對鎳基硬質合金性能影響不大。

2.3 磁場淬火對硬質合金微觀組織的影響

常規(guī)淬火和磁場淬火都可使合金組織發(fā)生變化，圖2所示為YG6合金淬火前、磁場淬火以及常規(guī)淬火SEM照片。對比圖2(a)和(b)可以看出：鈷基硬質合金進行磁場淬火，其晶粒定向偏轉，有趨向一致的傾向；并且碳化鎢晶粒表面變得明顯粗糙，呈現(xiàn)出“鋸齒”狀，這增大了碳化鎢晶粒與黏結相的接觸面積，從而提高了碳化鎢晶粒與黏結相之間的結合力，這在宏觀上使硬質合金表現(xiàn)出強度更高的效果；而僅通過熱處理常規(guī)淬火的圖 2(c)中看不到圖 2(b)中的現(xiàn)象，這說明上述現(xiàn)象是磁場淬火所引起的。這種磁化形變可能是合金經(jīng)磁場淬火后矯頑磁力提高的原因。圖3所示為YG6合金淬火前、磁場淬火以及常規(guī)淬火后的金相照片。圖4所示為YG6合金淬火前、磁場淬火以及常規(guī)淬火WC相形態(tài)照片。結合圖3和圖4可以看出：淬火可使合金中WC相形態(tài)發(fā)生變化，WC-Co類硬質合金的硬質相為WC相，是六方晶體，屬于不等軸晶系[13]，因而在液相燒結過程中的溶解和析出具有方向性，從而使得硬質合金中的WC顆粒呈現(xiàn)尖銳棱角狀如圖4(a)。棱角的存在導致應力分布極不均勻，引起應力集中，對硬質合金的韌性不利[14]。經(jīng)過淬火處理后，WC在 Co中的溶解度增加，WC的轉溶通常發(fā)生在棱角處，使棱角轉化為圓滑狀態(tài)(圖4(b)和4(c))。這種圓滑的棱角降低了接觸點的應力集中，有利于提高WC的韌性。而對比圖4(b)和(c)則可以發(fā)現(xiàn)磁場淬火后WC顆粒這種趨于圓滑狀棱角的趨勢比常規(guī)淬火更加明顯。圖5所示為磁場淬火前后YG6合金斷口SEM照片。從圖5(b)中可以看出：鈷基硬質合金磁場淬火后較圖 5(a)中解理斷裂(箭頭所示)明顯減少。

圖2 淬火前后YG6合金SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of YG6 before and after quenching

圖3 淬火前后YG6合金金相照片F(xiàn)ig.3 OM images of YG6 before and after quenching

圖4 淬火前后YG6合金WC相形態(tài)Fig.4 WC images of YG6 before and after quenching

圖5 磁場淬火前后YG6合金斷口的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of fracture surface of YG6 before and after quenching

圖6所示為YN6合金淬火前、磁場淬火以及常規(guī)淬火 SEM 照片。對比圖 6(a)，(b)和(c)可以看出：鎳基硬質合金高溫時直接淬火與高溫時加入磁場淬火，晶粒都沒有明顯變化，Ni的居里點較低，常用來生產(chǎn)無磁硬質合金，碳溶解進入黏結相中會減小鎳的磁性，甚至較輕微脫碳的 WC-Ni硬質合金也會使矯頑磁力值顯示出零[15]。高溫加熱保溫過程中，WC晶粒發(fā)生溶解，鎳黏結相中碳濃度更高，這樣就促使其對外加磁場感應很弱，不足以引起晶粒的偏轉，表1中矯頑磁力測試結果也可以看出：磁場淬火前后YN6合金矯頑磁力基本沒有變化。

圖6 淬火前后YN6合金SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of YN6 before and after quenching

圖7所示為YN6合金淬火前、磁場淬火以及常規(guī)淬火后的金相照片。從圖7中同樣可以看出：淬火后WC相形態(tài)發(fā)生了變化，WC顆粒的尖銳棱角狀更多的轉化成圓滑狀，這降低了接觸點的應力集中，有利于提高WC的韌性。另外淬火阻止高溫下形成的過飽和濃度的溶質原子(W和C)的析出，而彌散分布在鎳黏結相中；這是合金強度和韌性提高的依據(jù)。從金相和掃描圖片可知磁場淬火和常規(guī)淬火對 YN6合金組織的影響基本一致，之所以強化效果沒有鈷基硬質合金明顯，可能原因是固溶于Ni中的WC的強化作用較固溶于Co中的WC的強化作用弱[16]，另外鎳黏結相沒有相應的相轉變存在。

圖7 淬火前后YN6合金金相照片F(xiàn)ig.7 OM images of YN6 before and after quenching

3 結論

(1) 磁場淬火處理可以使 YG6的維氏硬度提高3%，橫向斷裂強度提高18%，沖擊韌性提高24%并改變合金磁性；磁場淬火較常規(guī)淬火對YG6合金性能改善作用更加明顯；而磁場淬火對YN6合金相應的性能改變卻不明顯。

(2) 磁場淬火使鈷基硬質合金的黏結相中α-Co含量提高，W和C在黏結相中的固溶度增加，WC晶粒棱角趨于圓滑；同時，磁場引起鈷基硬質合金中 WC晶粒出現(xiàn)鋸齒狀形貌并偏轉為有序方向排列，是合金性能改善的主要原因。

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