抑制劑對(duì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能影響概述

徐 偉

（江鎢硬質(zhì)合金有限公司，江西 靖安 330699）

超細(xì)晶和納米晶硬質(zhì)合金由于具有高硬度和高強(qiáng)度一直是業(yè)界發(fā)展的熱點(diǎn)方向之一。但是在制造超細(xì)硬質(zhì)合金的過(guò)程中，由于所使用的WC粉末的活性比一般的WC粉末活性高得多，因此在燒結(jié)過(guò)程中晶粒會(huì)出現(xiàn)異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象，導(dǎo)致組織不均勻，對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響[1，2]。使用抑制劑是制備超細(xì)硬質(zhì)合金的重要途徑之一。本文將介紹抑制劑的機(jī)理、種類及抑制劑對(duì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能的影響。

1 抑制劑的主要作用和抑制機(jī)理

添加抑制劑的主要作用有四個(gè)方面：①抑制碳化鎢晶粒的長(zhǎng)大，使合金對(duì)燒結(jié)溫度和時(shí)間的敏感性降低；②擴(kuò)大YG合金二相區(qū)，降低碳含量變化對(duì)合金性能的影響；③改變了相成分，進(jìn)而改善了合金性能；④提高合金的耐熱性和抗月牙洼磨損能力。抑制劑的作用機(jī)理目前被認(rèn)為有以下3種：①優(yōu)先溶解于Co相中，同時(shí)被包覆在于WC顆粒表面，降低WC的表面能，從而降低了WC在液相中的溶解度；②沿著WC/WC界面偏析，阻礙WC界面的遷移，阻礙了WC顆粒發(fā)生聚集長(zhǎng)大；③抑制劑的加入能有效的降低WC在合金中的溶解度。

2 抑制劑種類

抑制劑的種類有 ：VC，Cr3C2，TaC，NbC，TiC，ZrC，Mo2C，HfC，(TaC、Nb）C。常用的抑制劑有Cr3C2，VC，TaC。最常用最典型的抑制劑是TaC，抑制效果最好是VC，這是因?yàn)閂C在Co中具有較高的溶解性和彌散能力，因而抑制劑在早期就起到了抑制碳化鎢晶粒長(zhǎng)大的作用；微量Mo2C和Cr3C2的添加幾乎沒(méi)有抑制WC晶粒長(zhǎng)大的作用；在相同的添加劑量條件下。ZrC和HfC的抑制WC晶粒長(zhǎng)大的效果幾乎相等[1]。

3 不同抑制劑對(duì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能的影響

下面將介紹幾種常用抑制劑對(duì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能的影響。

3.1 Cr3C2對(duì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能的影響

張雪輝[3]等研究了Cr3C2的添加對(duì)WC-6%Co硬質(zhì)合金性能的影響。硬度和斷裂韌性會(huì)隨著添加量的增加出現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)。當(dāng)合金的最佳性能出現(xiàn)在Cr3C2添加量為0.45%時(shí)，此時(shí)硬度為1933 HV，斷裂韌性達(dá)12.5MPa.m1/2。在WC-10Co合金的研究中同樣出現(xiàn)了類似的變化趨勢(shì)[4]。

抗彎強(qiáng)度方面孫文文[5]對(duì)WC-8%Co-0.5%(VC/Cr3C2)硬質(zhì)合金研究認(rèn)為當(dāng)抑制劑Cr3C2含量從0增加到0.1%時(shí)，合金的抗彎強(qiáng)度得到了一定程度的提高，但繼續(xù)增加Cr3C2含量，合金的抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降。當(dāng)添加量為0.1%C時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到峰值為2450 MPa。由于WC晶粒的非均勻長(zhǎng)大現(xiàn)象隨著Cr3C2的加入得到了很好的控制，從而使合金的晶粒更細(xì)更均勻。晶粒尺寸越細(xì)小越均勻，合金強(qiáng)度和硬度就越高，但是當(dāng)抑制劑的添加量過(guò)高時(shí)，從而形成一種復(fù)式碳化物脆性相，該相會(huì)減弱粘結(jié)相Co與碳化物的結(jié)合強(qiáng)度，致使合金致密度下降，最終導(dǎo)致合金的硬度值和強(qiáng)度值下降。

3.2 VC對(duì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能的影響

合金的硬度會(huì)隨著VC添加量的增加先增大后減小，加入VC優(yōu)先溶解于Co相中，從而使WC晶粒的溶解～析出過(guò)程受到了阻礙，從而晶粒得到細(xì)化。與此同時(shí)隨著VC能夠增大邊界能從而降低二維成核的能量，緩解了形核的速率，阻止WC晶粒的長(zhǎng)大。在鈷含量不變的情況下隨著VC的加入，強(qiáng)化晶界和相界，細(xì)化晶粒，從而導(dǎo)致整個(gè)合金硬度升高[6]合金的抗彎強(qiáng)度同樣會(huì)隨著VC含量的增加先增大后減小。隨著VC的加入，晶粒得到細(xì)化，合金強(qiáng)度增加，同時(shí)也會(huì)增加組織的缺陷，如孔隙等。這些會(huì)導(dǎo)致合金性能的惡化，進(jìn)而使合金的強(qiáng)韌性顯著下降。當(dāng)VC添加量過(guò)多時(shí)，會(huì)生成大尺寸(W，V)C的復(fù)式碳化物相，從而導(dǎo)致了所生產(chǎn)的合金強(qiáng)度低。

劉雪梅[7]等采用SPS燒結(jié)制備的不同VC含量硬質(zhì)合金塊體材料樣品。

當(dāng)VC的添加量小于5.0%時(shí)，合金的相對(duì)密度均大于97%，隨著VC添加量的增加，合金硬度明顯的增加，斷裂韌性下降。韓小偉[8]等認(rèn)為添加0.5%的VC對(duì)W-Co類硬質(zhì)合金的致密性最好、硬度最高，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)缺陷更少綜合性能最好。李海艷[9]等認(rèn)為當(dāng)VC添加量0.5%時(shí)，合金的硬度值可達(dá)到93.0 HRA，其綜合性能最好。

3.3 TaC對(duì)超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能的影響

隨著TaC的加入提高了合金的紅硬性、耐磨性能、抗氧化性能、高溫強(qiáng)度、沖擊韌性、抗熱震性。Ta可以通過(guò)影響界面能從而使合金冷卻時(shí)先形成的骨架強(qiáng)度更高，因此添加TaC是提高合金質(zhì)量的有效途徑。

TaC的抑制機(jī)理是球磨時(shí)吸附在WC晶體表面，使一部分的WC最終被TaC單分子包覆，這樣可以防止相鄰的晶體一起長(zhǎng)大，從而受到抑制。與此同時(shí)，TaC可以優(yōu)先溶解到在液態(tài)鈷相中，一定程度上阻礙了溶解-析出機(jī)制，從而使晶粒得到細(xì)化及固溶強(qiáng)化，受到這一現(xiàn)象的影響，強(qiáng)度值和硬度值上升。

但是當(dāng)TaC的添加量超過(guò)了在Co相中的飽和固溶度，過(guò)量的Ta原子會(huì)在WC晶界處形核析出，而液相中鄰近的Ta原子則會(huì)迅速遷移、聚集在形核點(diǎn)處并與W、C原子一同形成(Ta，W)C相析出，這將危害合金的強(qiáng)韌性，導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度降低。當(dāng)TaC添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%時(shí)，TaC主要溶解在Co相中，起到固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用[10]。同時(shí)晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象的抑制作用較為明顯，細(xì)化后的WC晶粒尺寸約為0.5μm，硬度為HV30=21.27GPa，比沒(méi)有抑制劑的試樣增加約8.98%[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

由于各種抑制劑的作用機(jī)理及各個(gè)階段抑制效果的不同，且抑制劑都有各自的優(yōu)點(diǎn)與不足，在實(shí)際的應(yīng)用中通常使用兩種及兩種以上的抑制劑組合使用，以實(shí)現(xiàn)最佳的抑制劑效果。