超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金制備工藝研究

楊樹(shù)忠，王玉香，肖穎奕，張 帆，許 洋

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

硬質(zhì)合金素有“工業(yè)牙齒”的美譽(yù)，是一類(lèi)以碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）為硬質(zhì)相，以粘結(jié)金屬（Co、Ni、Fe等）為粘結(jié)相，通過(guò)粉末冶金工藝制備的一種復(fù)合材料[1，2]。根據(jù)Sandivik公司關(guān)于硬質(zhì)合金分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)，WC晶粒度在0.2μm～0.5μm之間的為超細(xì)晶硬質(zhì)合金[3，4]。超細(xì)晶硬質(zhì)合金作為高性能硬質(zhì)合金的代表，具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性等特點(diǎn)[5，6]，廣泛應(yīng)用于切削加工、電子工業(yè)等領(lǐng)域[7]。尤其加工電路板用的微型鉆頭，由于直徑很小，只能采用超細(xì)晶硬質(zhì)合金來(lái)制造[8]。

相較于其他粒級(jí)的硬質(zhì)合金，超細(xì)晶硬質(zhì)合金在實(shí)際生產(chǎn)中更容易受設(shè)備和工藝因素的影響。超細(xì)WC粉由于比表面積較大，表面活性高，容易發(fā)生團(tuán)聚和氧化，在實(shí)際的制備過(guò)程中產(chǎn)生聚晶、夾粗、微孔隙等缺陷[7-9]，大大降低超細(xì)晶硬質(zhì)合金的綜合性能。在混料過(guò)程中添加Cr3C2、VC、TaC、NbC、Mo2C等碳化物作為晶粒長(zhǎng)大抑制劑可以在一定程度上解決超細(xì)晶硬質(zhì)合金夾粗的問(wèn)題。

本文以超細(xì)WC粉、Co粉為主要原料，在混料過(guò)程中添加晶粒長(zhǎng)大抑制劑，于脫蠟-低壓燒結(jié)一體爐中完成超細(xì)晶硬質(zhì)合金的燒結(jié)，系統(tǒng)研究了球磨時(shí)間對(duì)超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)與性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)所采用的原料規(guī)格如下表1所示。將超細(xì)WC粉、Co粉、Cr3C2、VC粉末按照表2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的比例配料，在滾筒球磨機(jī)中進(jìn)行濕磨混料?；炝瞎に嚍榍蛄媳?:1，以酒精為濕磨介質(zhì)，酒精添加量為380mL/kg，球磨時(shí)間7 h。將混合料漿置于真空干燥箱中，于70℃～80℃抽真空干燥5h～6h。干燥后的混合料經(jīng)40目篩網(wǎng)擦篩后，在150MPa壓力下壓制成抗彎強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)B試樣壓坯（成功尺寸為6.5mm×5.25mm×20mm，尺寸誤差±0.25mm）。壓坯在COD 733RL-64bar型低壓燒結(jié)爐中進(jìn)行脫蠟、燒結(jié)。燒結(jié)溫度為1410℃，保溫時(shí)間60 min，保壓壓力5 MPa。

表1 實(shí)驗(yàn)原料性能

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.2 性能檢測(cè)

圖1 實(shí)驗(yàn)原料形貌

將燒結(jié)后的硬質(zhì)合金試樣擦拭干凈（或磨拋）后進(jìn)行檢測(cè)。利用阿基米德原理，在XS204型密度計(jì)上測(cè)量硬質(zhì)合金試樣的密度；采用MCOM-3型鈷磁儀上測(cè)試硬質(zhì)合金鈷磁；采用HC YSK-1型矯頑磁力計(jì)測(cè)試合金矯頑磁力；在CMT5105萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試硬質(zhì)合金三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，加載速率為4mm/min；采用Durascan全自動(dòng)維氏硬度計(jì)測(cè)試硬質(zhì)合金硬度，加載力為3kg，保壓時(shí)間為10s～15s；采用10wt.%的鐵氰化鉀和10wt.%的氫氧化鈉體積比1:1混合溶液對(duì)磨拋后的樣品表面進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間2min～3 min，在OLYMPUS SZX16金相顯微鏡或FEI Inspect F50場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上觀(guān)察硬質(zhì)合金顯微組織，并用SEMEDS能譜分析系統(tǒng)進(jìn)行元素的定性與定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 球磨時(shí)間對(duì)物理性能的影響

圖2 不同球磨時(shí)間的硬質(zhì)合金物理性能

如圖2所示為不同球磨時(shí)間的密度、鈷磁、矯頑磁力變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，合金密度呈略微上升趨勢(shì)，總體變化不大，鈷磁呈逐漸降低的趨勢(shì)，而矯頑磁力則呈逐漸升高的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋S著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，超細(xì)WC粉與Co粉等原料的氧含量會(huì)逐漸變高，增加的氧含量在合金燒結(jié)過(guò)程中會(huì)消耗合金中的碳，降低合金中的總碳，結(jié)果表現(xiàn)為合金鈷磁逐漸降低。而球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，也會(huì)使得WC粉末不斷被破碎，最終硬質(zhì)合金燒結(jié)后的WC晶粒度不斷降低，表現(xiàn)為硬質(zhì)合金矯頑磁力逐漸升高；隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，WC粉末破碎效果逐漸減弱，矯頑磁力的增長(zhǎng)趨勢(shì)也逐漸變?nèi)酢?/p>

2.2 球磨時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

不同球磨時(shí)間下合金的維氏硬度、抗彎強(qiáng)度變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，硬質(zhì)合金維氏硬度隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，這和矯頑磁力的變化曲線(xiàn)類(lèi)似，反映出在相同Co含量下，硬質(zhì)合金的硬度隨WC晶粒度的減小而增加，且球磨時(shí)間對(duì)于硬質(zhì)合金硬度的貢獻(xiàn)逐步減弱，在球磨64 h后維氏硬度達(dá)到1730 HV3。

根據(jù)Hall-Petch公式：

公式（1）中，σ為屈服強(qiáng)度，σ0為單晶屈服強(qiáng)度，k是常數(shù)，d為晶粒大小?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，合金晶粒不斷細(xì)化，硬質(zhì)合金的細(xì)晶強(qiáng)化效果不斷增強(qiáng)，硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度隨之提高，球磨48h以后，硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度增加變得緩慢，在球磨64h后抗彎強(qiáng)度達(dá)到5137MPa。

圖3 不同球磨時(shí)間的硬質(zhì)合金力學(xué)性能

2.3 球磨時(shí)間對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響

如圖4所示為不同球磨時(shí)間下硬質(zhì)合金的金相圖。從圖中可以看出，不同球磨時(shí)間下，合金顯微組織均顯示出較高的致密化，金相顯微組織顯示為A02B00C00，WC晶粒較為細(xì)小，分布較為均勻。由于細(xì)晶強(qiáng)化作用，四組硬質(zhì)合金均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖4 不同球磨時(shí)間的硬質(zhì)合金金相組織

3 結(jié)論

隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，WC粉不斷被破碎細(xì)化，得到的合金WC晶粒度逐漸降低，使得合金的硬度和抗彎強(qiáng)度不斷升高。

四組合金的金相顯微組織均較為致密，為A02B00C00，WC晶粒細(xì)小，分布較為均勻，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。球磨64 h后的硬質(zhì)合金力學(xué)性能最高，維氏硬度為1730HV3，抗彎強(qiáng)度為5173 MPa。