TaC含量對YG類稀土硬質(zhì)合金性能的影響

李 力，陳 慧，姜中濤，陳巧旺，涂銘旌

(1.重慶文理學院材料交叉學科研究中心，重慶 永川 402160;2.重慶市高校微納米材料工程與技術(shù)重點實驗室，重慶 永川 402160)

隨著加工工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代刀具材料向著高精度、高速切削、干式切削和降低成本等方向發(fā)展.硬質(zhì)合金以其優(yōu)良的性能正在更多的場合替代其他的刀具材料.發(fā)達國家90﹪以上的車刀和55﹪以上的銑刀都采用硬質(zhì)合金材料，而且比重仍在增加.

現(xiàn)階段國內(nèi)外比較常用的硬質(zhì)合金刀具采用的是WC基硬質(zhì)合金，近年來又出現(xiàn)了梯度硬質(zhì)合金、超細晶粒硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金等刀具新品種［1］.TaC作為一種硬質(zhì)合金的高效添加劑，近年來成為刀具材料研究的一個熱點.本文的研究內(nèi)容為含TaC的高效硬質(zhì)合金刀具材料的制備提供數(shù)據(jù)參考.

1 測試方法與試樣制備

1.1 合金粉體的制備

本試驗的主要原料是各種粉體，其基本參數(shù)和主要化學成分如表1所示.

表1 原料粉體的基本參數(shù)

TaC與Y2O3粉末的顆粒形貌如圖1所示.

圖1 粉末顆粒形貌

球磨介質(zhì)采用無水乙醇，符合GB679-95要求，純度為99.5﹪.成型劑采用高純度切片石蠟，符合GB446-84要求.每100 g粉料加入50 ml無水乙醇和2 wt﹪的石蠟(石蠟在球磨結(jié)束前4 h加入)，球料比為5∶1.復合粉料經(jīng)過72 h球磨后，放入真空干燥箱中烘干，初始真空度設(shè)定為0.05 MPa，后增加到0.02 MPa.待粉料完全干燥后，過320目篩后制成試驗所需復合粉體.

1.2 合金粉體的粒度測試

使用LA-950激光散射粒度分布分析儀對復合粉料進行粒度測試.測試結(jié)果表明，粉體經(jīng)過72 h高能球磨后，平均粒徑為270 nm.尺寸小于100 nm的顆粒占22.47﹪，尺寸大于500 nm的顆粒占8.79﹪，大部分顆粒的尺寸處于超細粉體范圍.

1.3 樣品的制備

本試驗采用FZJ160全自動粉末壓機制備試樣，成型壓力為45 MPa，壓坯密度為6.46 gcm3.試樣在ZYL-ZA100單體真空脫蠟燒結(jié)爐中在1 380℃下燒結(jié)1 h制得硬質(zhì)合金試樣.試樣編號和成分如下:

1#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3);2#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3、0.2TaC);3#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3、0.4TaC);4#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3、0.8TaC);5#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3、1.0TaC).

1.4 測試方法

力學性能方面，本試驗采用阿基米德法測試試樣的密度，取3個試樣的平均值作為試樣的密度(gcm3).根據(jù)GB3849-83規(guī)定，使用HRSS-150型數(shù)顯全洛氏硬度計測試試樣硬度，每個試樣測試3個點，取其平均值作為試樣的硬度(HRA).根據(jù)GB3851-83規(guī)定，采取3點彎曲法使用SHT4305微機控制電液伺服萬能試驗機測試試樣的橫向斷裂強度(TRS).試樣為B型試樣，試樣尺寸為20 mm×6.5 mm×5 mm.

磁性能方面，本試驗采用AComT鈷磁測量儀測試試樣的磁性鈷含量，采用YSK-3矯頑磁力計測試試樣的磁矯頑力(Hc).

微觀結(jié)構(gòu)方面，本試驗采用德國徠卡DMI3000M型金相顯微鏡和美國FEIQuanta250型掃描電鏡對試樣斷口進行顯微結(jié)構(gòu)表征，以判斷合金的孔隙度與晶粒尺寸.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 TaC對合金密度的影響

試樣的密度和合金中TaC含量之間的關(guān)系如圖2所示.

圖2 TaC含量對試樣密度的影響

如圖2所示，合金密度隨著TaC含量的增加而下降.當TaC含量小于0.4﹪時，密度略微下降，而當TaC含量大于0.6﹪時，密度明顯下降.在燒結(jié)過程當中，過多的TaC會對液相的流動性和燒結(jié)致密化過程有不利的影響.

2.2 TaC對合金硬度和TRS的影響

測試結(jié)果如圖3所示.當TaC的含量在0.4﹪～0.6﹪之間時，合金的硬度有明顯的提升，但TaC含量大于0.6﹪時，合金的硬度急劇下降.而且當TaC含量為1﹪時，合金的硬度甚至低于不含TaC的試樣.

圖3 TaC含量對試樣硬度和TRS的影響

在球磨過程中，TaC被吸附于WC晶體的表面，導致部分WC晶粒被單分子形態(tài)TaC包覆.這種單分子層阻止了相鄰WC晶粒接觸長大.同時，TaC優(yōu)先溶解于液相鈷當中，抑制了WC在液相鈷中的溶解，WC溶解再結(jié)晶長大的過程也在很大程度上被抑制了.因此，TaC的加入可以有效地抑制WC晶粒長大，而細化晶粒導致了合金硬度值的上升.但當TaC含量超過了其在液相鈷中的溶解度時，將會析出蜂巢狀(Ta，W)C固溶體，并以游離態(tài)形式存在，這是導致合金硬度下降的主要原因［2］.

圖3中也顯示出，在TaC含量小于0.4﹪時，合金的TRS隨TaC含量的增加而上升，在TaC含量為0.4﹪時達到最大值2 770 MPa.但當TaC含量超過0.4﹪時，合金的TRS下降.如果合金中加入過多的TaC，將會導致WC/WC晶界的脆化.另外，析出的(Ta，W)C固溶相與合金的硬質(zhì)相之間存在明顯的強度差異，這些都使合金的TRS下降.

高溫時(1 300℃)TaC在液相中的溶解度比室溫時高許多.如果TaC的含量高于室溫下在液相鈷中的溶解度而又低于高溫下在液相鈷中的溶解度，則合金在降溫過程中將析出(Ta，W)C，這將對合金的強韌化效果有不利影響.另外，S、O、Ca、Mg等雜質(zhì)元素的富集、合金內(nèi)微孔、粗大WC晶粒和粘結(jié)相的聚集都會對合金強度產(chǎn)生不利影響.所以，降低合金空隙度和細化晶粒是提升硬質(zhì)合金強度的重要方法［3］.

2.3 TaC對合金矯頑磁力(Hc)和磁性鈷含量(Com)的影響

如圖4所示，試樣的Com隨著TaC含量的增加而下降.當TaC含量在0.4﹪～1.0﹪之間時，試樣的Com接近80﹪，而且下降趨勢較小，這表明合金中的碳含量正常.TaC的加入減少了固溶體中WC的γ相含量，而提升了C的γ相含量，所以添加TaC可以輕微改善合金的含碳量.當合金粘結(jié)相中的碳含量增加而固溶體中WC的γ相含量減少時，合金的磁性鈷含量升高.這表明，TaC可以調(diào)節(jié)碳含量和避免合金缺碳，從而抑制WC晶粒的不連續(xù)長大.

圖4 TaC含量對試樣磁性鈷含量和矯頑磁力的影響

固溶體中WC的γ相減少，表明TaC抑制了γ相WC的溶解再結(jié)晶反應，從而抑制了WC晶粒的連續(xù)性長大.圖4還表明，隨著TaC含量的增加，試樣的Hc先上升而后下降，TaC含量為0.6﹪的試樣擁有最高的Hc值，這與硬度的變化趨勢相同.

2.4 TaC含量對合金顯微結(jié)構(gòu)的影響

對TaC含量為0.6﹪的試樣進行金相分析，結(jié)果如圖5所示.根據(jù)GB3489-83，空隙度評為A02，B03，化合碳評為 C00，孔隙度較低.金相中沒有發(fā)現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)缺陷，但是部分鈷相富集.這可能導致鈷相富集區(qū)域與其他區(qū)域存在性能差異.具有較高平均自由程的富集區(qū)域，將顯示出低強度和高韌性.相反，其他區(qū)域?qū)@示出高硬度.因為粘結(jié)相的平均自由程隨著硬質(zhì)相接觸率的升高而下降.TaC以固溶體的形式存在，溶解在粘結(jié)相中的Ta元素將在WC/WC晶界富集，這將導致WC/WC晶界脆性結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，使得斷裂更加容易發(fā)生［4］.

圖5 試樣的光學金相

用掃描電鏡對TaC含量為0.4﹪的試樣斷口進行分析，結(jié)果如圖6所示.圖上顯示合金斷裂方式大多為沿晶斷裂，在個別大晶粒處發(fā)生穿晶斷裂，孔隙度較低，在照片中未發(fā)現(xiàn)大于1μm的孔洞，平均晶粒度約為0.4μm.重稀土元素(Y)在晶界處富集，凈化晶界提升晶界的結(jié)合力從而提升合金的斷裂強度，而輕稀土元素(Nd)在燒結(jié)過程中有向表面遷移的趨勢.因稀土元素反應活性強，率先和合金內(nèi)部雜質(zhì)元素(S、Ca、Mg)化合，并將其帶出合金內(nèi)部，這有助于提升合金致密度，從而緩解由于TaC的加入而導致的合金密度下降［5］.

圖6 試樣的SEM斷口觀測

3 結(jié)論

隨著TaC含量的增加，合金的密度和磁性鈷含量下降，矯頑磁力先增大而后減小，在TaC含量為0.6﹪時達到最大.當TaC含量小于0.6﹪，合金硬度隨TaC含量的增加而上升，當TaC含量大于0.6﹪時，硬度明顯下降.與不添加TaC的合金相比，TaC含量為0.4﹪合金的橫向斷裂強度(TRS)有明顯提升，而當TaC含量大于0.4﹪時，合金的橫向斷裂強度(TRS)隨TaC含量增加而下降.TaC的加入可以抑制WC晶粒的長大.加入0.4﹪的TaC的合金綜合性能最好.

［1］陳巧旺，姜中濤，鄧瑩，等.梯度硬質(zhì)合金表面的氮勢控制［J］.重慶文理學院學報:自然科學版，2011，30(5):41-43.

［2］李學芳.Ta對(Fi，Ta，W)(C，N)-Co 金屬陶瓷的結(jié)構(gòu)和機械性能的影響［J］.國外難溶合金屬與硬質(zhì)材料，2002，18(1):9-12.

［3］Hans-Olof Andrén，Daniele Mari，G?ran Wahnstr?m，et al.Chanisms of plastic deformation of WC-Co and Ti(C，N)-WC-Co［J］.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2006，24:145-154.

［4］劉壽榮.WC-Co硬質(zhì)合金中TaC，Cr3C2添加劑的作用機理［J］.稀有金屬材料與工程，1997，26(6):31-35.

［5］袁逸，鄔蔭芳.稀土對鈷基合金及硬質(zhì)合金的影響［J］. 硬質(zhì)合金，1994，11(1):1-9.