晏 平，王明勝，歐陽琪

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021）

1 概述

孔隙度是硬質(zhì)合金重要的性能指標(biāo)，是影響合金硬度、斷裂韌性的重要因子。日本的鈴木壽等人對硬質(zhì)合金的斷裂進行系統(tǒng)研究，并指出硬質(zhì)合金的斷裂起源于一個微米級的“白點”，這個白點是硬質(zhì)合金的一種組織缺陷，其中之一就是 10μm 左右的孔隙[1]。 格雷菲斯從能量觀點出發(fā)， 提出裂紋理論，此理論認為孔隙和裂紋在粉末脆性材料中成為應(yīng)力集中的斷裂源，引起材料的斷裂。孔隙對材料機械性能的影響機理主要是減少了合金材料中金屬間的鍵力作用，導(dǎo)致合金材料宏觀機械性能的下降，同時孔隙作為合金材料應(yīng)力集中區(qū)和微裂紋的產(chǎn)生源， 在外力作用下，往往是致使合金材料破壞的直接因素，作為高性能的結(jié)構(gòu)材料，必須盡可能地降低孔隙率[2]。

硬質(zhì)合金中孔隙一般分為A 類、B類和宏觀孔洞三種，隨著燒結(jié)設(shè)備及燒結(jié)工藝的改進，以原生WC 為原料制備的合金基本能達到A02B00 的孔隙度。目前， 由于石油開采等極限工況的要求，國外高端石油用齒對硬質(zhì)合金的孔隙度提出A00B00 的要求，因此對燒結(jié)設(shè)備、工藝、成形劑、燒結(jié)涂料等均提出更高的要求。而硬質(zhì)合金燒結(jié)時使用的涂料，為了獲得一定的粘結(jié)性一般會添加高分子有機物，在燒結(jié)過程中由于溫度升高出現(xiàn)揮發(fā)物。本文旨在研究不同燒結(jié)涂料對合金孔隙度的影響。

2 實驗

選用兩種涂料A、B 和含鈷11%的礦用類合金產(chǎn)品為研究對象。兩種不同的涂料 （分別稱為涂料A 和涂料B）按照正常流程刷在石墨板表面，然后在上面放置11%Co 礦用類合金進行燒結(jié)。正常刷涂料的石墨板在650℃和1440℃鍛燒后在上面放置合金燒結(jié)。

在 650℃、1200℃和 1440℃下煅燒涂料，研究其不同狀態(tài)下的揮發(fā)物及對合金孔隙度的影響機理。

采用IMAGER.A2M 金相顯微鏡觀察合金齒的金相面，并對孔隙度進行分析。采用EDAX Genesi-SEMS 能譜色散X 射線儀對孔隙進行能譜分析。

3 結(jié)果及討論

3.1 兩種涂料在正常工藝流程下對合金孔隙的影響

首先把兩種不同的涂料分別刷在兩塊 60×170 mm 石墨板上， 涂料凝固后表面形態(tài)如圖1 所示。 由圖1 看到，涂料A 刷的石墨板表面相對比較光滑，涂料與石墨板結(jié)合較好，而涂料B刷的石墨板表面相對粗糙，涂料與石墨板結(jié)合性相對較差。

圖1 兩種涂料刷版后的表面形貌

在兩種石墨板上放上兩個相同原料和壓制工藝的合金齒，產(chǎn)品周邊用石墨支點及石墨蓋板圍護起來，擺放在相同的位置，隨大批產(chǎn)品在相同的工藝下燒結(jié)成合金，產(chǎn)品燒結(jié)后表面形貌如圖2所示。

圖2 采用兩種涂料燒結(jié)的樣品表面

由圖 2 可見在涂料 A 石墨板上燒結(jié)的產(chǎn)品，表面被熏黑，底部有輕微的燒結(jié)痕， 聞上去有股臭雞蛋味；而涂料B 石墨板上燒結(jié)的產(chǎn)品表面較干凈且無明顯燒結(jié)痕。 對采用涂料A 燒結(jié)的合金表面進行能譜分析，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 看到， 采用涂料A 燒結(jié)的合金表面存在S、Ca 等元素， 而合金所使用的 WC、Co 原料中 S、Ca 等雜質(zhì)的含量均為ppm 級別， 說明合金表面的S、Ca 等元素來源于涂料揮發(fā)。

為了研究涂料揮發(fā)物對合金孔隙的影響，對燒結(jié)后的合金產(chǎn)品采用金相顯微鏡觀察合金齒的拋光面，分析其缺陷情況，金相照片見圖4。

圖3 采用涂料A 燒結(jié)的合金表面能譜分析

由圖4-A、B 金相照片可以看出，采用涂料A 燒結(jié)的合金邊緣出現(xiàn)較多的A 類孔隙，孔隙度達到A04，而靠近合金心部的孔隙度相對較好， 基本為A02。 而由圖4-C 金相照片看到，采用涂料B 燒結(jié)的合金金相照片較好，基本看不到A 類孔隙，孔隙度達到A00。

對采用涂料A 燒結(jié)合金中的孔隙進行能譜分析，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可以看出， 采用涂料A 燒結(jié)的合金內(nèi)部出現(xiàn)了含有雜質(zhì)S、Ca 等元素的A 類孔隙， 雜質(zhì)元素基本和合金表面雜質(zhì)相同， 且A 類孔隙在合金邊緣居多， 斷定此A 類孔隙產(chǎn)生的原因為：在合金液相燒結(jié)階段，涂料雜質(zhì)揮發(fā)物較多，溶解、滲透至合金內(nèi)部，冷卻后形成雜質(zhì)孔。

圖4 采用兩種涂料燒結(jié)的合金金相照片

3.2 涂料A 和涂料B 對合金孔隙影響機理研究

為了探討兩種涂料對燒結(jié)合金孔隙度的影響原因， 對涂料A 和B 在低溫烘干水份后分別在650 ℃、1200 ℃和1440℃溫度下在一體爐內(nèi)煅燒， 得出涂料在不同溫度段的揮發(fā)物，數(shù)據(jù)見表1。

由表1 看到，兩種涂料在0-650 ℃階段的揮發(fā)量均較大，此階段為合金燒結(jié)的脫蠟階段，揮發(fā)物不會對合金性能造成影響。 涂料A 在650 ℃之后，尤其在1200-1440 ℃之間揮發(fā)量仍有4.49%。 揮發(fā)物相對較高，而此階段基本為合金液相燒結(jié)階段，此時的揮發(fā)物會吸附在合金表面，并通過溶解，滲透至合金內(nèi)部，從而導(dǎo)致合金內(nèi)部出現(xiàn)雜質(zhì)孔。而涂料B 在650 ℃以后基本沒有揮發(fā)物，從而不會導(dǎo)致合金表面吸附其他雜質(zhì)并在合金內(nèi)部出現(xiàn)雜質(zhì)孔。

表1 兩種涂料在不同溫度段煅燒的揮發(fā)比例

3.3 涂料 A 所刷石墨板在 650℃和

1440℃煅燒后對合金孔隙的影響

為進一步驗證涂料A 揮發(fā)物對合金孔隙度的影響， 把涂料A 所刷石墨板分別用一體爐在650 ℃和1440 ℃煅燒，然后按正常工藝在低壓爐內(nèi)燒結(jié)合金，其金相情況見圖6。

圖6 涂料A 在不同溫度煅燒后對合金孔隙的影響

由圖6 可看出， 同樣是用涂料A刷過的石墨板，經(jīng)過650 ℃煅燒后再使用，合金孔隙并沒有明顯改觀，合金孔隙基本在A02-A04 之間，而經(jīng)過1440℃煅燒后的石墨板再次燒結(jié)合金，合金的孔隙度有明顯好轉(zhuǎn)， 基本在A00-A02 之間， 說明涂料 A 在經(jīng)過 1440 ℃煅燒后，S、Ca 等雜質(zhì)基本揮發(fā)，再次燒結(jié)合金基本不會對合金孔隙造成影響。

4 結(jié)論

（1） 采用涂料 A 燒結(jié)的合金金相孔隙度為A02-A04， 且合金邊緣孔隙居多， 而采用涂料B 燒結(jié)的合金孔隙度基本為A00。

（2） 采用涂料 A 燒結(jié)的合金出現(xiàn)A 類孔隙較多的原因為：在1200-1440℃之間涂料揮發(fā)物較多， 通過溶解，滲透至合金內(nèi)部形成雜質(zhì)孔。

（3）經(jīng)過 650 ℃煅燒，涂料 A 所刷的石墨板燒結(jié)的合金孔隙沒有改善，而經(jīng)過1440 ℃煅燒后， 涂料A 上燒結(jié)的合金孔隙度有明顯好轉(zhuǎn)， 基本達到A00-A02。

[1]林宏爾，鈴木壽 等.WC-10Co 硬質(zhì)合金強度與斷裂源的關(guān)系 [J]. 日本金屬學(xué)會志，1974，38（1）：11.

[2]李壯，王家君，林晨光.WC-Co 超細硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)對其性能的影響[J].硬質(zhì)合金，2009，26（3）：188-193.