碳化鈦的晶粒跨度對(duì)高錳鋼結(jié)硬質(zhì)合金的性能影響研究

耿占吉，黎華挺，張忠倫，朱建勇，謝志勇

（1.中南大學(xué)粉末冶金研究院，湖南 長沙 410083；2.長沙華希新材料有限公司，湖南 長沙 410000；3.中建材科創(chuàng)新技術(shù)研究（山東）有限公司，山東 棗莊 277100；4.湖南省冶金材料研究院有限公司，湖南 長沙 410129；5.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230051）

由于鋼結(jié)硬質(zhì)合金性能優(yōu)異[1，2]，用途較廣而備受關(guān)注。在TiC 鋼結(jié)硬質(zhì)合金中，硬質(zhì)相的潤濕性能會(huì)比黏結(jié)相更優(yōu)，這也讓兩相結(jié)合的強(qiáng)度達(dá)不到預(yù)期要求。黏結(jié)相對(duì)硬質(zhì)相的潤濕性進(jìn)行改進(jìn)，可以有效提升含TiC（Ti（C，N）、TiN 等）硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金及金屬陶瓷的綜合性能，目前常用到的方法主要有兩種，第一種方法是加入第二相碳化物，比如Mo2C、WC、TaC、ZrC、HfC 等金屬材料到合金中；第二種方法是黏結(jié)相合金化，比如：將Mo、W、Cr、V 等添加到黏結(jié)相中，有研究表明Mo 對(duì)黏結(jié)相對(duì)硬質(zhì)相潤濕性有顯著的改善效果。合金改性主要會(huì)用到TaC、ZrC、HfC 等金屬，例如：提高合金的耐磨性、耐熱性等。除此之外，為提高合金的性能，還可以添加稀土元素，或者采用預(yù)合金粉作為為黏結(jié)相[3-7]。

其他研究學(xué)者[8-10]有以特定比例的羰基鐵粉加入其中，可以讓粉末的壓制性能得到改善，同時(shí)讓燒結(jié)溫度下降，使得合金更加的致密。高能球磨影響鈦鋼結(jié)合金組織與性能，球磨時(shí)間的延長，合金組織會(huì)更加細(xì)化，提高了成分的均勻性，合金的硬度、密度及抗彎強(qiáng)度有會(huì)相應(yīng)提高。除此之外，各種新技術(shù)的出現(xiàn)（機(jī)械合金化、高速壓制、快速凝固），推動(dòng)粉末冶金材料朝著更加致密、性能更加優(yōu)良的方向發(fā)展。

目前研究碳化鈦性能對(duì)高錳鋼結(jié)合金的影響較少，因此，針對(duì)碳化鈦的粒度跨度進(jìn)行研究，為今后做參考。

1 試樣制備

1.1 原料及試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)原料：采用銳鈦型冶金級(jí)鈦白粉制備碳化鈦，本實(shí)驗(yàn)所采用的鋼結(jié)合金為TM52，下表1 是其具體的化學(xué)成分，及含量占比；表2 為該材料的技術(shù)參數(shù)值。

表1 實(shí)驗(yàn)用TM52 基高錳鋼結(jié)合金成分

表2 實(shí)驗(yàn)用TM52 基高錳鋼結(jié)合金成分

圖1 實(shí)驗(yàn)過程

預(yù)混合120min 后，在XQM－16A 型球磨機(jī)中，采用酒精來研磨，研磨球的質(zhì)量比為5：1，用到合金鋼球，轉(zhuǎn)速為200r·min，研磨時(shí)間為24h。在200Mpa 的壓力條件下，濕磨得到的粉體壓制成型，接著在1360℃的高溫下，燒結(jié)40min，獲得TIC 高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金，其尺寸為20mm×55mm。

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

采購A、B 兩家碳化還原過的碳化鈦進(jìn)行濕磨，采用激光粒度分析儀得到的Tic 粉末，其粒度分布見下表3 所示（D50 和粒度跨度值ψ）。1#樣品采用B 公司生產(chǎn)的粒度跨度0.808 的碳化鈦，2#為采用A 公司生產(chǎn)粒度跨度1.251 的碳化鈦，3#為采用A公司生產(chǎn)的粒度跨度1.372 的碳化鈦。從2#、3#數(shù)據(jù)看，當(dāng)球磨時(shí)間超過3H 后，粒度跨度變窄。TiC 粉體在球磨的初期階段，以體積粉碎為主要細(xì)化機(jī)制，粒度分布的范圍較廣，在球磨后期，以表面破碎細(xì)化機(jī)制起主導(dǎo)作用，粒度跨度值逐步達(dá)到平衡。

表3 三種碳化鈦制備的鋼結(jié)合金的力學(xué)性能檢測(cè)

從表中可以看出2#對(duì)比1#樣品的硬度、強(qiáng)度和沖擊韌性均有提高，3#對(duì)比1#硬度提高，抗彎強(qiáng)度降低，沖擊韌性降低。

輕質(zhì)合金1 具體性能要求：抗彎強(qiáng)度：1800 ～2200，硬度：60HRC ～65HRC，沖 擊 韌 性：ak ≥15J/cm2（10×10×55mm 線切割無缺口長方體試樣）；輕質(zhì)合金2 具體性能要求：抗彎強(qiáng)度：1600 ～2000，硬度：65HRC ～70HRC，沖擊韌性：ak ≥10J/cm2（10×10×55mm 線切割無缺口長方體試樣）。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

為對(duì)比實(shí)驗(yàn)所得TiC1#合金晶粒的微觀結(jié)構(gòu)和等效的固態(tài)晶粒尺寸分布，如圖2 所示，兩種合金中固相晶體的晶粒尺寸不同，1#樣品硬質(zhì)相分布較均勻，部分地區(qū)有空缺，這與硬質(zhì)相與基體的潤濕性不好引起的偏聚現(xiàn)象。2#、3#晶粒合金中相鄰硬質(zhì)相之間的粘結(jié)相層厚度要1#晶粒合金，基體厚度均勻，硬質(zhì)相大小顆粒分布均勻性也更好。

圖2 TIC 晶體組織

隨著跨度的增加，試樣硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在1.2 時(shí)，其達(dá)到最大值為68HRC?？傮w而言，跨度大的合金硬度會(huì)比跨度小的合金硬度要高，可是其差距并不會(huì)太大，其范圍在57.8HRC ～59HRC。其原因是因?yàn)榭缍鹊牟粩嘣黾?，大顆粒和小顆粒的比重也將增加，因?yàn)榇箢w粒和小顆粒處于不相等球體的球形直徑的累積模式中，因此，固相累積的空隙將減少，使得硬質(zhì)相均勻分布，進(jìn)而增加了試樣的硬度。

圖3 為抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性隨粗細(xì)配比的變化曲線

從圖3 中粗細(xì)配比對(duì)抗彎輕度和沖擊韌性的影響可以發(fā)現(xiàn)，晶?？缍燃哟螅箯潖?qiáng)度會(huì)逐步提高，然后下降；晶?？缍葹?.251 時(shí)，抗彎強(qiáng)度最大值為1624MPa，相1#合金可以提高15%。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是一旦跨度增加時(shí)，細(xì)顆粒粉末無法較好的填充到粗顆粒的空隙空間，難以形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，使得合金的性能得到增強(qiáng)；另一方面粗細(xì)顆粒碳化物相間分布可以讓高錳鋼相分布更加均勻，TiC 晶粒的鄰接度下降，這就導(dǎo)致合金的沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度會(huì)受到其致密化程度、碳化物分布、基體相分布等因素的影響。

而3#比2#的強(qiáng)度降低原因是由于小顆粒碳化鈦和大顆粒碳化談數(shù)量增加的過多，形成了團(tuán)聚搭橋現(xiàn)象，硬度不降低，但是強(qiáng)度降低。在這兩方面的作用下抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

材料吸收沖擊功的能力，主要通過沖擊韌性來反映，用于衡量合金所具備承受沖擊載荷的能力。從上圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶體?？缍忍岣?，沖擊韌性會(huì)逐步下降，其普通晶?？缍葧r(shí)的3.10J／CM2，降到晶粒跨度1.251 的2.86J／cm2。主要原因是，鋼結(jié)合金微裂紋拓展的路徑主要有：一種是TIC 晶粒周圍的鋸齒形膨脹，它需要與斷裂區(qū)域相對(duì)應(yīng)的能量。另一種是通過TIC 晶粒膨脹，這需要很高的破壞能量。粗晶粒使微裂紋進(jìn)一步發(fā)展，從而提高了粗晶粒合金的韌性。然而，細(xì)晶粒的連續(xù)增加將導(dǎo)致合金的平均晶粒尺寸減小，從而使TiC 晶粒抑制裂紋擴(kuò)展的能力將降低，所需的斷裂能將降低。另外，雖然上述粗，細(xì)級(jí)分不同的合金的含量相同，但粗晶粒合金中硬質(zhì)相TiC 的顆粒較粗，從圖3，圖4 中可以看出，相鄰固相之間的鍵合相厚度要比其他合金大，邊界晶體更少。粘結(jié)相高錳鋼比硬質(zhì)相TiC 的韌性更強(qiáng)，這也讓裂紋的擴(kuò)展速度得到控制，使得其沖擊韌性得到提升。

2.2 斷口形貌分析

圖3，圖4 為合金真空燒結(jié)合金沖擊試樣斷口SEM 照片。TiC 顆粒和高錳鋼基體的性能存在較大差異，因此斷裂過程中的行為也會(huì)有差異。下圖中灰色組織為Tic 顆粒的斷裂層，白色成撕裂棱狀為基體組織?？傮w而言，TiC 較大的顆粒傾向于裂開，在某些斷裂面上可以看到更明顯的河流形態(tài)。較小的TiC顆粒在破裂然后“韌窩”時(shí)往往會(huì)從鋼基質(zhì)中破裂。該區(qū)域稱為“韌窩”，這種斷裂方法稱為晶間斷裂。高錳鋼基體組織的可塑性通常以邊緣斷裂或具有延性斷裂特征的局部凹坑的形式表現(xiàn)出來。

圖4 A，1#斷口形貌，B，2#斷口形貌，C，3#斷口形貌

從圖4 可以看出，具有不同取向的小分裂表面共同構(gòu)成了合金的端面。這些解理表面是相對(duì)平坦的，可以清楚地看到某些解理步驟。從綜合圖可以發(fā)現(xiàn)，固相晶粒的尺寸和方向?qū)⒈唤馕?。步驟的大小和方向。圖（4a）粗晶合金斷口中還有塑坑，可以看出，在底部有一個(gè)光滑的裂縫表面，形態(tài)分析表明這是一個(gè)具有一定粘度的粒間裂縫。但是，較淺的塑性窩表明塑性變形的程度很小。通常，合金斷裂的主要成分是脆性剝落斷裂和部分塑性晶間斷裂。一般而言，沒有流動(dòng)性現(xiàn)象，破壞依然脆弱；TiC 細(xì)晶粒比例的增加會(huì)導(dǎo)致斷裂處的破裂。破裂的邊緣的數(shù)量減少并且邊緣的高度也減少，表明韌性降低，這與沖擊韌性結(jié)果一致。另外，當(dāng)晶?？缍葹?.251 時(shí)，撕裂棱的均勻性更優(yōu)，在斷口上均勻的分布。

圖4B 為合金的真空燒結(jié)合金沖擊斷口SEM 圖片。圖（a）中箭頭指出是相鄰的小尺寸晶粒拔除后，離開凹坑和大晶體斷裂時(shí)，劈裂面由一個(gè)跨晶裂紋留下。在這種條件下，兩個(gè)相鄰的TiC 晶體顆粒相距一定距離，并且晶粒取向不同。裂紋將從一個(gè)解理平面延伸到另一個(gè)粒子。它應(yīng)該以輔助芯片結(jié)尾或中斷。產(chǎn)生兩個(gè)方向不同的分裂平面，當(dāng)粒徑差異較大時(shí)，出現(xiàn)圖（a）所示的情況。這種類型的裂紋是特征性的裂隙裂紋，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg裂紋，裂紋的擴(kuò)展會(huì)發(fā)生塑性的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而增加裂紋擴(kuò)展消耗的能量，因此有利于阻止裂紋的擴(kuò)展。

見圖所示，當(dāng)一個(gè)較大，同時(shí)較為完整的硬質(zhì)相TiC斷裂面，其呈現(xiàn)出扇形，裂紋拓展是從扇柄逐步延伸到斷面，它也有類似河流的圖案，清楚地顯示了其場(chǎng)地與其他街區(qū)之間的界面。通常河流結(jié)構(gòu)的流動(dòng)方向與裂縫的傳播方向一致，因此可以從流動(dòng)方向確定裂縫的傳播方向，并且可以在河流的相反方向找到裂縫的來源?；诖私Y(jié)論，可以確定裂紋的起源，即固體顆粒與位于固體顆粒左端的另一種固相或基質(zhì)組織之間的界面。

硬質(zhì)相顆粒含有內(nèi)部缺陷（圖b 中黑點(diǎn)）受到外力作用時(shí)，導(dǎo)致應(yīng)力集中起來，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。因此，材料斷裂過程中，這種硬質(zhì)相顆粒會(huì)將機(jī)體傳遞的能量吸收，而硬質(zhì)相內(nèi)部缺陷會(huì)讓其強(qiáng)度下降，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，甚至?xí)霈F(xiàn)穿晶斷裂的問題。見圖所示，其為河流狀花樣的形成圖，解理臺(tái)階的形成方式有很多，其中最為常見的是解理裂紋與螺型位錯(cuò)相交。假設(shè)晶體內(nèi)存在一螺型位錯(cuò)，同時(shí)解理裂紋為一刃型位錯(cuò)，如果兩者發(fā)生結(jié)合，將形成一個(gè)高度為b 的臺(tái)階，它將沿著裂縫的前端滑動(dòng)并最終合并，并且相同數(shù)目的臺(tái)階之間的相互會(huì)合將增加。流動(dòng)方向與裂紋擴(kuò)展方向一致。因此，在斷裂分析中，可以使用此規(guī)則確定裂痕的傳播方向，并且可以在流中找到裂痕的來源以指導(dǎo)和分析裂痕的形成。

箭頭A 所指的區(qū)域，硬質(zhì)相顆粒與基體的結(jié)合面處會(huì)產(chǎn)生裂紋，同時(shí)會(huì)沿著界面延伸；箭頭B 是指硬質(zhì)相上存在2 條微裂縫，其裂紋源都是來自統(tǒng)一位置，即，在剛性相與基體之間的界面處。標(biāo)記為A 和B 的區(qū)域中的所有裂紋均在界面處形成，這表明合金的斷裂韌性會(huì)影響界面處的結(jié)合強(qiáng)度。通過分析其原因，發(fā)現(xiàn)是由于在原始顆粒邊界上存在各種氧化物，導(dǎo)致形成類似孔隙的薄弱區(qū)域，極易發(fā)生裂紋。

3 結(jié)論

（1）在合金中，TiC 粒度跨度的提高，會(huì)使得晶粒相分布更加清晰，一方面，TiC 在整個(gè)合金中的分布將是均勻的。另一方面，基體的分布將是均勻的，從而使TiC 之間的間隙減小，并且TiC 晶粒的孔隙率減小。

（2）晶?？缍仍龃笞尯辖鹩操|(zhì)相的分布均勻性得到了改善，跨度為1.251 時(shí)，合金的綜合性能達(dá)到最佳水平，抗彎強(qiáng)度最大值為1800MPa、硬度最大值為67HRC、沖擊韌性較細(xì)晶粒合金提高達(dá)到5J／cm2。

（3）從宏觀層面分析，高錳TiC 鋼結(jié)合的金斷裂不顯示流動(dòng)現(xiàn)象，這是脆性斷裂。顯微分析表明，TiC 相具有劈裂脆性斷裂的特征，大小顆粒主要代表劈裂性斷裂和晶間斷裂，基體斷裂面會(huì)呈現(xiàn)出撕裂棱。極易產(chǎn)生裂紋的原因主要包括：孔隙、脆性相聚集區(qū)、兩相界面處和夾雜等。