左洪松，欒道成，王正云，李亞軍，秦 琴

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039）

0 前言

細(xì)晶硬質(zhì)合金由于具有高硬度，高強(qiáng)度，耐腐蝕，良好的耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，一直是理想的用于精加工的刀具材料［1-4］，但硬質(zhì)合金刀具在切削鋼材時(shí)容易發(fā)生粘刀和月牙洼磨損等問題［5］。復(fù)式碳化物是硬質(zhì)合金生產(chǎn)中的一種重要原料，是高溫下WC固溶于TiC中或者WC固溶于TiC-TaC（NbC）中得到的固溶體，它具有良好的抗氧化能力［6］。含TaC的復(fù)式碳化物高溫硬度好，能夠提高刀具連續(xù)切削的壽命。向硬質(zhì)合金中添加復(fù)式碳化物不僅可以提高合金的抗氧化能力，而且可以提高合金刀具抗月牙洼磨損和抗刀屑瘤的能力，是改變硬質(zhì)合金性能的一種重要方式［7］。因此，向細(xì)晶硬質(zhì)合金中添加復(fù)式碳化物成為一種有益的嘗試，但不同含量的復(fù)式碳化物添加會(huì)對(duì)硬質(zhì)合金性能產(chǎn)生不同的影響。實(shí)驗(yàn)通過制備含復(fù)式碳化物0，4％，8％，12％的細(xì)晶WC-8Co硬質(zhì)合金，研究了不同含量的復(fù)式碳化物對(duì)細(xì)晶硬質(zhì)合金橫向斷裂強(qiáng)度、硬度、相對(duì)密度的影響，并對(duì)復(fù)式碳化物對(duì)硬質(zhì)合金性能影響的機(jī)理進(jìn)行了討論。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以WC-Co基細(xì)晶硬質(zhì)合金為研究對(duì)象，選用的復(fù)式碳化物為同時(shí)含有TiC和TaC的復(fù)式碳化物粉末，WC粉（自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)），Co粉（深圳格林美生產(chǎn)）。具體參數(shù)如表1所示。

表1 原料粉末的基本參數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)所選用的復(fù)式碳化物顆粒較粗，為制得細(xì)晶的復(fù)式碳化物粉末，先將復(fù)式碳化物在球磨罐中預(yù)磨24h，然后開罐將WC，Co和成型劑等一起加入，進(jìn)行行星球磨。為防止WC粉末在燒結(jié)過程中長(zhǎng)大，加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％的VC和0.7％的Cr3C2作為晶粒長(zhǎng)大抑制劑，將粉末按表2所示分配比計(jì)量后，加入2％的石蠟為成型劑，按20mL/100g比例的加入乙醇作為研磨介質(zhì)，濕磨48h，干燥，制粒。在200MPa的壓力下壓制成B試樣，在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。由于Co對(duì)復(fù)式碳化物的潤濕性不佳，故將燒結(jié)溫度定為1 390℃，保溫1h。燒結(jié)后，采用阿基米德法則測(cè)定試樣的密度，并計(jì)算相對(duì)密度；根據(jù)GB/T3849.2-2010測(cè)定硬質(zhì)合金的洛氏硬度；根據(jù)GB3851-83測(cè)試試樣的橫向斷裂強(qiáng)度。合金試樣用FeCl3與濃鹽酸的飽和溶液腐蝕后用INSPECTF50型掃描電鏡觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)。

表2 4組試樣的成分 w/％

2 結(jié)果與討論

2.1 組織結(jié)構(gòu)分析

圖1為復(fù)式碳化物含量0、4％、8％、12％的4個(gè)WC-8Co細(xì)晶合金試樣在1 390℃真空燒結(jié)后的組織SEM照片，照片中觀察到了明暗兩種相，為了分辨兩種相的成分，我們選取c號(hào)樣的一小片區(qū)域進(jìn)行了直線EDS分析，EDS分析結(jié)果如圖2。從圖2可知，當(dāng)電子束經(jīng)過黑色區(qū)域時(shí)，Ti和Ta的含量增加而W的含量下降，由此可推測(cè)，照片中較亮的部分為WC顆粒，較暗的部分為復(fù)式碳化物顆粒。從圖1中我們不難發(fā)現(xiàn)，圖1a中是純WC基體，圖1b-d中復(fù)式碳化物逐漸增多且分布較為均勻。且4個(gè)試樣中均觀察到了孔洞。

圖1 4組試樣的SEM照片

圖2 c試樣EDS掃描圖

圖3分別為4組試樣斷口的SEM照片，從圖中可以看出，4個(gè)試樣中的顆粒均較細(xì)，且較均勻。從圖3中我們可以看出，雖然合金中有個(gè)別粗大的（W，Ti，Ta）C和WC顆粒存在，但合金粒度已經(jīng)達(dá)到了細(xì)晶的水平。所以采用復(fù)式碳化物預(yù)磨，混合料高能球磨的方法能夠制得含復(fù)式碳化物的細(xì)晶硬質(zhì)合金。

圖3 試樣斷口SEM照片

2.2 性能分析及討論

經(jīng)測(cè)試得到4組復(fù)式碳化物含量不同的細(xì)晶合金的硬度和相對(duì)密度如圖4。從圖中我們可以看出，合金的硬度值隨復(fù)式碳化物含量的增多而提高，但相對(duì)密度卻逐漸下降。含復(fù)式碳化物12％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的細(xì)晶合金硬度達(dá)到了93.6HRA，但相對(duì)密度卻只有99.2％。

復(fù)式碳化物是一種脆硬相，它的加入能夠提升合金的硬度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，如圖4所示。

圖4 合金的硬度和相對(duì)密度的變化

但在相同的燒結(jié)溫度下，Co對(duì)復(fù)式碳化物的潤濕性比WC差很多［8］。在液相燒結(jié)過程中，復(fù)式碳化物相對(duì)于WC而言更難以致密化，易形成孔洞［9］。由于本實(shí)驗(yàn)仍然采用真空燒結(jié)，故合金中的空隙孔隙難以消除。由于4種試樣均在同一溫度下燒結(jié)，故而含復(fù)式碳化物多的合金更加難以致密，表現(xiàn)為相對(duì)密度低。如圖4所示，合金的相對(duì)密度隨復(fù)式碳化物的增多而下降。

含復(fù)式碳化物量不同的合金的橫向斷裂強(qiáng)度見圖5。從圖中可知未添加復(fù)式碳化物的合金的橫向斷裂強(qiáng)度最高，達(dá)到了2 240MPa，且TRS隨復(fù)式碳化物含量的增加而下降，且下降的幅度較大。添加12％復(fù)式碳化物的合金的橫向斷裂強(qiáng)度為1 480MPa。

圖5 4組試樣的橫向斷裂強(qiáng)度

復(fù)式碳化物對(duì)于合金強(qiáng)度影響可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：（1）復(fù)式碳化物的脆硬性使得合金的脆性增加，韌性下降。且實(shí)驗(yàn)所采用的復(fù)式碳化物粒度較粗，雖然經(jīng)過預(yù)磨處理，仍難以保證個(gè)別粗大的復(fù)式碳化物顆粒的存在，如圖3。日本學(xué)者鈴木壽認(rèn)為，硬質(zhì)合金的強(qiáng)度取決于無缺陷組織基體的理論強(qiáng)度和斷裂源的大小和位置［10］。個(gè)別粗大的復(fù)式碳化物顆?；蛘邚?fù)式碳化物顆粒在局部偏聚，會(huì)使得局部的強(qiáng)度降低成為斷裂源，從而使合金的橫向斷裂強(qiáng)度降低。（2）復(fù)式碳化物對(duì)Co的低潤濕性使得合金孔隙度提高?？紫妒怯操|(zhì)合金中的一類嚴(yán)重缺陷，它能夠造成應(yīng)力集中，顯著降低合金的強(qiáng)度。（3）復(fù)式碳化物的低潤濕性還表現(xiàn)為合金粘結(jié)相黏結(jié)強(qiáng)度的降低，尤其是當(dāng)復(fù)式碳化物的含量較高時(shí)，這種現(xiàn)象尤為明顯。綜上所述，復(fù)式碳化物的添加顯著降低了細(xì)晶硬質(zhì)合金的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）采用復(fù)式碳化物預(yù)磨，混合料行星球磨然后真空燒結(jié)的方法，能夠制得含復(fù)式碳化物的細(xì)晶硬質(zhì)合金。

（2）復(fù)式碳化物的添加顯著地降低了合金的橫向斷裂強(qiáng)度和相對(duì)密度，但提高了合金的硬度。

（3）在真空燒結(jié)和Co含量為8％的條件下，細(xì)晶硬質(zhì)合金中復(fù)式碳化物的含量不宜超過12％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。當(dāng)合金中的復(fù)式碳化物達(dá)到12％時(shí)，合金的相對(duì)密度和橫向斷裂強(qiáng)度均較低，基本失去了細(xì)晶合金高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。

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