VC的不同添加方式對(duì)WC-6%Ni(Cr3C20.9%)硬質(zhì)合金組織的影響

辛海艷，楊 勝，王芳艷，林應(yīng)鎂

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川 自貢 643011)

隨著工業(yè)的不斷進(jìn)步，硬質(zhì)合金在石油開采、水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越深入，對(duì)硬質(zhì)合金的耐磨性、耐腐蝕性也提出了新的要求。加之無磁硬質(zhì)合金的發(fā)展，越來越多的Ni基硬質(zhì)合金被開發(fā)出來。Ni基硬質(zhì)合金與Co基硬質(zhì)合金相比具有耐腐蝕性好[1-2]、原料價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)[3]，在某些領(lǐng)域已經(jīng)完全用Ni基硬質(zhì)合金替代Co基硬質(zhì)合金。

Ni基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金特別適用于對(duì)耐磨性、耐腐蝕性要求高的環(huán)境，是硬質(zhì)合金牌號(hào)開發(fā)的一個(gè)新的方向。在Ni基超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金生產(chǎn)過程中往往加入Cr3C2、VC、TaC等用于抑制晶粒長大同時(shí)改善合金性能。所選抑制劑的種類及添加方式對(duì)最終硬質(zhì)合金的顯微結(jié)構(gòu)、物理性能往往會(huì)產(chǎn)生不同的影響。Bernhard 研究發(fā)現(xiàn)在WC-10%Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硬質(zhì)合金中VC 的晶粒生長抑制效果最佳，其次是TaC、Cr3C2、TiC、ZrC[4]。本文研究了WC-6%Ni(Cr3C20.9%)合金分別在WC碳化階段和在混合料球磨階段加入VC，硬質(zhì)合金組織的差異。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料技術(shù)參數(shù)如表1所示，其中Ni粉為羥基鎳粉，上海百洛達(dá)公司提供，WC為自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

1.2 合金制備

按照表2所示成分及配比稱取各原料加入球磨桶中，兩組樣品配比均含有Ni 6.0%、Cr3C20.9%，其中樣品組1含有WC93.1%(碳化階段加入0.6% VC)；樣品組2含有VC 0.6%、WC 92.5%。

表1 實(shí)驗(yàn)原料技術(shù)參數(shù)

表2 原料配比

球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為72 r/min，球磨54小時(shí)后卸料，料漿在真空干燥柜中70℃干燥120 min，過篩得到混合粉末。粉末經(jīng)25 t單柱式液壓機(jī)壓制成25 mm×25 mm×8 mm的試樣，試樣在5 MPa壓力爐中進(jìn)行低壓燒結(jié)，最高溫度1460 ℃，保溫時(shí)間90 min，最大壓力5 MPa。

1.3 樣品檢測

肉眼觀察樣品表面形貌;使用S-3000N 掃描電鏡觀察樣品表面及斷面形貌;使用S-3000N 掃描電鏡檢測樣品不同部位成分;使用DMI5000M 型金相顯微鏡觀察樣品微觀組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 形貌分析

肉眼觀察兩組樣品表面形貌可以看出，第一組樣品表面顏色均勻一致，第二組樣品表面出現(xiàn)麻面，如圖1所示。使用S-3000N掃描電鏡放大100倍觀察麻面樣品表面可以發(fā)現(xiàn)黑白相間的區(qū)域，放大1500倍觀察麻面樣品黑色區(qū)域可見疑似液相滲出的形態(tài)，如圖2所示。兩組樣品表面研磨0.2 mm并拋光處理后使用DMI5000M 型金相顯微鏡放大1500倍觀察金相組織如圖3所示，第一組樣品出現(xiàn)輕微Ni池，第二組樣品較多Ni池。使用S-3000N掃描電鏡放大10000倍觀察兩組樣品斷面如圖4所示，第一組樣品斷面存在少量1 μm以下的顯微孔隙，第二組樣品斷面存在較多1μm以下的顯微孔隙。

樣品組1 樣品組2圖1 樣品燒結(jié)后表面形貌

放大100倍觀察 黑色區(qū)域放大1500倍圖2 S-3000N掃描電鏡觀察樣品組2表面形貌

樣品組1 樣品組2圖3 兩組樣品金相形貌(1500倍)

樣品組1 樣品組2圖4 兩組樣品斷面形貌(10000倍)

2.2 成分分析

使用S-3000N掃描電鏡對(duì)樣品組2表面成分進(jìn)行分析如圖5、表3所示，表面白色區(qū)域Ni含量3.59%，低于配料成分6.0%；樣品黑色區(qū)域Ni含量47.38%，V含量 1.13%，Cr含量1.73%，均高于配料成分配比，存在Ni、V、Cr聚集和偏析的現(xiàn)象。

使用S-3000N掃描電鏡對(duì)樣品組1、樣品組2斷面進(jìn)行成分分析如圖6、圖7，表4、表5所示，發(fā)現(xiàn)樣品組1斷面不同區(qū)域成分與配料成分基本接近；樣品組2顯微孔隙內(nèi)Ni含量分別是68.86%、35.45%、46.92%，整個(gè)斷面Ni含量8.18%，存在Ni聚集的現(xiàn)象。

圖5 第二組樣品表面掃描電鏡分析區(qū)域

表3 第二組樣品表面掃描電鏡分析結(jié)果(%)

圖6 第一組樣品斷面掃描電鏡分析區(qū)域

表4 第一組樣品斷面掃描電鏡分析結(jié)果(%)

圖7 第二組樣品斷面掃描電鏡分析區(qū)域

表5 第二組樣品斷面掃描電鏡分析結(jié)果(%)

3 結(jié)果分析

由上述分析可知，在WC碳化階段添加VC的樣品組1表面顏色均勻一致，表面及斷面成分分布均勻，斷面存在少量1μm以下的顯微孔隙及Ni池。在混合料球磨階段添加VC的樣品組2表面出現(xiàn)麻面，實(shí)際是Ni的聚集，斷面也存在Ni聚集的現(xiàn)象，并且存在較多1μm以下的顯微孔隙。

Ni具有較好的延展性，在球磨過程中Ni粉先發(fā)生塑性變形成為薄片，再產(chǎn)生疲勞裂紋進(jìn)而被破碎，很容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，因此Ni基合金很容易因?yàn)镹i的分布不均勻而產(chǎn)生Ni聚集。

VC、Cr3C2的加入可以起到抑制晶粒長大的作用，當(dāng)前的研究認(rèn)為有三種機(jī)理：一是抑制劑VC、Cr3C2與Co、Ni等具有較低的共晶溫度，可優(yōu)先溶解于液相中，降低了WC在液相中的溶解度，抑制了WC的溶解析出過程；二是抑制劑吸附在WC晶粒表面，降低了表面能，減小了溶解析出的動(dòng)力；三是抑制劑沿WC/WC 界面偏析，阻礙了WC 界面的遷移，阻止WC 顆粒發(fā)生聚集長大[5]。

上述三種抑制機(jī)理都是通過抑制WC的溶解析出過程起到抑制WC晶粒長大的作用，WC溶解析出過程受阻會(huì)減少燒結(jié)過程的液相量，不利于燒結(jié)致密化過程。加之WC與Ni的潤濕性較差，會(huì)阻礙液相遷移。因此兩組樣品燒結(jié)體內(nèi)都存在1μm以下的顯微孔隙，燒結(jié)過程中在外界壓力作用下，液相填充部分孔隙形成Ni聚集。

特別是VC在球磨階段以單質(zhì)形式加入，比以固溶體的形式加入共晶溫度更低，阻礙WC溶解析出的作用更明顯。同時(shí)VC本身不容易彌散，在VC聚集區(qū)VC位于WC晶粒間，阻礙了Ni的流動(dòng)和填充，因此樣品組2顯微孔隙更多，Ni聚集的現(xiàn)象也更加明顯，甚至出現(xiàn)麻面。

4 結(jié)語

由于Ni本身的特性以及抑制劑在抑制晶粒長大的同時(shí)對(duì)燒結(jié)致密化過程起到阻礙作用，導(dǎo)致兩組樣品斷面均存在1μm以下的顯微孔隙及Ni池。又因?yàn)樵谇蚰ルA段添加VC共晶溫度更低，并且彌散性差，對(duì)Ni的流動(dòng)和填充起到阻礙作用，導(dǎo)致樣品組二斷面孔隙更多，并產(chǎn)生嚴(yán)重的Ni聚集，甚至出現(xiàn)麻面。晶粒抑制劑的種類及添加方式對(duì)Ni基硬質(zhì)合金的顯微組織及各項(xiàng)物理性能有顯著的影響，Ni基材質(zhì)開發(fā)過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。