燒結(jié)方式對WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷微觀組織及力學(xué)性能的影響

王 盼，潘應(yīng)君，徐源源，柯德慶, 黃 遼

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081)

燒結(jié)方式對WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷微觀組織及力學(xué)性能的影響

王 盼，潘應(yīng)君，徐源源，柯德慶, 黃 遼

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081)

以WC、TiB2、Co、VC和Cr3C2粉末為原料，采用熱壓原位反應(yīng)液相燒結(jié)和真空原位反應(yīng)液相燒結(jié)技術(shù)，在1400 ℃燒結(jié)爐中制備WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷，利用SEM、XRD對兩種燒結(jié)方式下制備的WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷進(jìn)行表征，并分析其耐磨性和抗彎強(qiáng)度等性能。結(jié)果表明，與真空原位反應(yīng)液相燒結(jié)方式相比，熱壓原位反應(yīng)液相燒結(jié)方式能更好地促進(jìn)WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷晶粒分布均勻且細(xì)化晶粒、降低材料的孔隙率，有效提高材料的耐磨性和抗彎強(qiáng)度，增強(qiáng)其力學(xué)性能。

WCoB-TiC；熱壓燒結(jié)；真空燒結(jié)；液相燒結(jié)；細(xì)化晶粒；微觀組織；力學(xué)性能

三元硼化物以其良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性以及較高的硬度和導(dǎo)電率，在耐磨、耐腐蝕等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。自1993年日本Toyo Kohan公司采用原位反應(yīng)液相燒結(jié)工藝成功開發(fā)出Mo2FeB2、Mo2NiB2、WCoB等3種三元硼化物基金屬陶瓷以來，國內(nèi)外研究人員對Mo2FeB2、Mo2NiB2做了大量研究[3-5]，并取得了一定的研究成果，而對WCoB金屬陶瓷[6]的研究較少。WCoB金屬陶瓷具有高硬度、高耐磨性、高耐溫性等性能，且其理論密度為普通硬質(zhì)合金密度的3/5，故該材料具有廣泛的應(yīng)用前景[7-8]。但是，WCoB金屬陶瓷的韌性較差，嚴(yán)重影響其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用價值。

在粉末冶金制備金屬陶瓷的過程中，可通過晶粒細(xì)化和降低孔隙率來增強(qiáng)其韌性。文獻(xiàn)[9-11]以碳化物和稀土作為晶粒長大抑制劑對WCoB金屬陶瓷晶粒長大的影響做了相應(yīng)研究，并取得了一定的效果，但孔隙率的問題仍未得到有效解決。真空原位反應(yīng)液相燒結(jié)制備三元硼化物過程中，溫度達(dá)到固溶點(diǎn)后，液相流動困難，部分區(qū)域因較少或沒有液相流動，冷卻后在該區(qū)域留下一定的孔洞，導(dǎo)致材料的脆性增加。而熱壓原位反應(yīng)液相燒結(jié)是在壓力和溫度同時作用下，對粉料進(jìn)行燒結(jié)制取制品的過程，燒結(jié)過程中可通過壓力促使液相流動區(qū)域的液相擴(kuò)散較為均勻。為此，本文以WC、TiB2、Co粉末為原料，添加少量VC和Cr3C2粉末作為晶粒長大抑制劑，采用熱壓液相原位反應(yīng)燒結(jié)和真空液相原位反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷，利用SEM、XRD對兩種燒結(jié)方式下制備的WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷進(jìn)行表征，并分析其耐磨性和抗彎強(qiáng)度等性能，以期為WCoB-TiC金屬陶瓷的推廣與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

制備WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷所需原料粉末包括：WC粉(粒度為3.0～4.0 μm)、TiB2粉(粒度為1.5～2.5 μm) 、Co 粉(粒度為1.5～3.0 μm)、VC粉(粒度為2.5～3.5 μm)和Cr3C2粉(粒度為2.5～3.5 μm)，以上粉料純度均大于99%。將原料粉按照表1中的成分配比進(jìn)行配料。將配好的粉料放入 QM-1SP4 行星式球磨機(jī)中濕磨，以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球料質(zhì)量比為 5∶1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為 300 r/min。球磨后的粉末漿料經(jīng)抽濾后在70 ℃的真空干燥箱中烘干。試樣在CMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上壓制而成，壓制壓力為200 MPa，保壓時間為60 s。最終燒結(jié)前先將壓坯置于真空燒結(jié)爐中，通入氬氣為保護(hù)氣體進(jìn)行脫蠟處理，然后將脫蠟處理后的壓坯分別放置在真空燒結(jié)爐、熱壓燒結(jié)爐中，在1400 ℃下燒結(jié)，保溫0.5 h后隨爐冷卻，其中熱壓燒結(jié)爐在1180 ℃(差熱分析液相點(diǎn)為1175 ℃)時通入氬氣至壓強(qiáng)為8 MPa。

表1 WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷的配料方案 (wB/%)

1.2 分析檢測

將燒結(jié)后的試樣表面打磨拋光后，采用Navo Nano-400 型場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的顯微組織；用 X’Pert Pro MPD 型 X 射線衍射儀(XRD)分析其物相組成；采用阿基米德排水法測量試樣密度；采用浸漬法測定燒結(jié)試樣的孔隙率；以 WM-2004 摩擦磨損儀在室溫條件下對試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)，以GCr15作為摩擦副，加載系統(tǒng)為杠桿加載；采用三點(diǎn)彎曲法在CMT5105 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測定試樣的抗彎強(qiáng)度，跨距為20 mm，加載速率為2 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同燒結(jié)方式對WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷顯微組織和物相組成的影響

兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷的微觀組織形貌如圖1所示。從圖1中可以看出，白色為硬質(zhì)相WCoB，灰色主要為TiC，黑色主要為空隙和極少量反應(yīng)殘留的TiB2，熱壓燒結(jié)試樣硬質(zhì)相晶粒分布較為均勻，且比同樣成分的真空燒結(jié)試樣晶粒尺寸細(xì)小、孔洞尺寸減小，孔洞的數(shù)量也有所減少，這是因?yàn)椋跓Y(jié)過程中，當(dāng)溫度達(dá)到1180 ℃時，通入較高氣壓的氣體，在一定的壓力下，可以提高原子的活性，促進(jìn)液相擴(kuò)散過程，液相在粉體間流動性加強(qiáng)，自由程較大，擴(kuò)散較為均勻，液相反應(yīng)后生成三元硼化物晶粒細(xì)小且分布均勻。從圖1中還可以看出，3種配料方案中，方案A所制試樣的晶粒尺寸最小，孔洞數(shù)量也有所減少，這是因?yàn)?，碳化物作為晶粒長大抑制劑，可在一定范圍內(nèi)抑止晶粒長大，一定含量(VC+Cr3C2復(fù)合抑制劑最佳含量為黏結(jié)相Co含量的3%～7%)碳化物混合添加作為晶粒長大抑制劑效果更佳[12]，其中VC抑制效果優(yōu)于Cr3C2。當(dāng)抑制劑添加量繼續(xù)增加并超過在Co黏結(jié)相中最大溶解度時，抑制效果將減弱甚至停止，同時還會增加燒結(jié)試樣的孔隙率。

(a)熱壓燒結(jié)， 方案A (b)熱壓燒結(jié)，方案B (c)熱壓燒結(jié)，方案C

(d)真空燒結(jié)，方案A (e)真空燒結(jié)，方案B (f)真空燒結(jié)，方案C

圖1兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷的微觀組織形貌

Fig.1MorphologiesofWCoB-TiCcompositecermetspreparedbytwosinteringmethods

兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷試樣的XRD圖譜如圖2所示。從圖2中可以看出，兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷中主要物相為W2CoB2，同時還含有少量WCoB、TiB2、TiC、CoB和Co，由此表明，燒結(jié)方式不會影響燒結(jié)試樣物相的組成。

(a)方案A

(b)方案B

(c)方案C

圖2兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷的XRD圖譜

Fig.2XRDpatternsofWCoB-TiCcompositecermetspreparedbytwosinteringmethods

2.2 不同燒結(jié)方式對WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷密度和孔隙率的影響

圖3為兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷的密度與孔隙率。從圖3中可以看出，在相同配料情況下，熱壓燒結(jié)試樣的密度比真空燒結(jié)試樣的密度大，且孔隙率小，這是因?yàn)?，在熱壓燒結(jié)過程中，在液相點(diǎn)時通入一定量的惰性氣體增加燒結(jié)壓力，使得燒結(jié)試樣內(nèi)部原子活性增強(qiáng)，液相流動自由程增加，同時可在壓力作用下填充粉體間燒結(jié)收縮形成的微小孔洞，從而使得晶粒均勻增加，試樣整體更加密實(shí)，孔洞量有所減少，整體孔隙率較無壓力狀態(tài)下的真空燒結(jié)試樣要小，同時，燒結(jié)試樣密實(shí)度增加，孔洞量減少，試樣密度會相應(yīng)有所增加。另外，晶粒長大抑制劑混合添加時，配料方案A所制燒結(jié)試樣晶粒尺寸細(xì)化效果更好，且晶粒分布均勻，有利于空隙率的降低，密度相應(yīng)會有所增加，這是因?yàn)椋?dāng)晶粒長大抑制劑含量過高，超過了黏結(jié)相最大飽和度時，在晶界處分布量較多，對硬質(zhì)相析出有阻礙作用，增加了孔洞量，孔隙率會有所增加，密度相應(yīng)減小[13]。Cr3C2作為晶粒抑制劑時會導(dǎo)致硬質(zhì)相晶粒非連續(xù)長大，增加孔隙率，影響試樣密實(shí)性，降低密度，所以配料方案B所制燒結(jié)試樣相比于方案C所制試樣的密度大、孔隙率小，而在相同燒結(jié)方式下，配料方案A所制試樣的密度最大，孔隙率最小，表明配料方案A最優(yōu)。

(a)密度

(b)孔隙率

圖3兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷的密度和孔隙率

Fig.3DensitiesandporositiesofWCoB-TiCcompositecermetspreparedbytwosinteringmethods

2.3 不同燒結(jié)方式對WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷耐磨性能的影響

圖4為選擇配料方案A時在兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷損失質(zhì)量與磨損時間的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷具有很好的耐磨性，熱壓燒結(jié)所制試樣其單位時間損失量較真空燒結(jié)少得多，表明熱壓燒結(jié)方式可以明顯提升材料的耐磨性，這是因?yàn)?，熱壓燒結(jié)試樣晶粒更加均勻細(xì)小，有利于提升材料硬度，而硬度是反映耐磨性的重要指標(biāo)，而且熱壓燒結(jié)試樣致密化好，孔隙率較低，有利于提升材料的韌性，所以，熱壓燒結(jié)方式可有效改善材料的耐磨性。

圖4兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷磨損損失質(zhì)量與磨損時間的關(guān)系曲線

Fig.4RelationshipcurvesbetweenweartimeandmasslossofWCoB-TiCcompositecermetspreparedbytwosinteringmethods

2.4 不同燒結(jié)方式對WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響

圖5為兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度。從圖5中可以看出，兩種燒結(jié)方式所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷抗彎強(qiáng)度均較小，其最大值約為935 MPa，主要是因?yàn)槭芙M織中缺陷的影響，如粉末冶金燒結(jié)試樣不可避免的微孔隙、晶粒尺寸粗大且分布不均勻等，但熱壓燒結(jié)相對于真空燒結(jié)還是可以明顯地提高材料的抗彎強(qiáng)度，這是因?yàn)?，熱壓燒結(jié)可有效使硬質(zhì)相晶粒分布均勻，且一定程度上有利于細(xì)化晶粒，同時可以極大降低燒結(jié)材料孔隙率，這對材料抗彎強(qiáng)度的提高具有重要作用；材料中微裂紋(孔洞)在受力作用下極易成為裂紋源，從裂紋處延伸斷裂，因此，降低燒結(jié)材料的孔隙率對材料抗彎強(qiáng)度的增加具有重要意義。過量晶粒抑制劑的添加，會增加材料孔洞量[13]，其對材料造成的不利影響大于其帶來晶粒細(xì)化的作用，因此，其抗彎強(qiáng)度會有一定程度的降低。

圖5兩種燒結(jié)方式下所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度

Fig.5BendingstrengthsofWCoB-TiCcompositecermetspreparedbytwosinteringmethods

3 結(jié)論

(1)采用熱壓燒結(jié)方式制備的WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷相比于真空燒結(jié)方式所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷，其組織更加細(xì)化均勻，密實(shí)性好，孔隙率較低，耐磨性和抗彎強(qiáng)度都有很大的提升。

(2)熱壓燒結(jié)方式對所制WCoB-TiC復(fù)相金屬陶物相組成沒有影響，添加適量晶粒長大抑制劑能更好地細(xì)化WCoB-TiC復(fù)相金屬陶瓷晶粒尺寸，增強(qiáng)其力學(xué)性能。

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EffectofsinteringmethodonmicrostructureandmechanicalpropertiesofWCoB-TiCcompositecermets

WangPan,PanYingjun,XuYuanyuan,KeDeqing,HuangLiao

(College of Materials Science and Metallurgical Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, China)

With WC, TiB2, Co, VC and Cr3C2powder as raw materials, by applying liquid-phase in-situ reaction sintering in hot-pressing technique and liquid phase in-situ reaction sintering in vacuum technique, WCoB-TiC composite cermets were prepared in furnace at 1400 ℃. SEM and XRD techniques were applied to characterize WCoB-TiC composite cermets prepared by two sintering methods. At the same time, abrasion resistance, bending strength, etc. of WCoB-TiC composite cermets were studied. The results show that, compared with the vacuum sintering, hot pressing sintering can promote uniform grain distribution and grain refinement of WCoB-TiC composite cermet, reduce the porosity, improve the wear resistance and bending strength effectively, and enhance mechanical properties of the material.

WCoB-TiC; hot pressing sintering; vacuum sintering; liquid-phase sintering; grain refinement; microstructure ;mechanical property

2017-05-15

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年基金資助項(xiàng)目(2016QN18).

王 盼(1991-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生，E-mail:2577473358@qq.com

潘應(yīng)君(1965-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail:hbwhpyj@163.com

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.05.010

TG148

A

1674-3644(2017)05-0374-05

[責(zé)任編輯張惠芳]