磁場(chǎng)淬火處理對(duì)硬質(zhì)合金組織和性能的影響

李薦 ，郭欣，姚建軍，周宏明，楊俊，江彬彬

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083 2. 中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083 3. 南通江海電容器股份有限公司，江蘇 南通，226361)

硬質(zhì)合金以其高硬度、高耐磨性和高的紅硬性等優(yōu)良性能著稱，作為耐磨、耐高溫和耐腐蝕零部件廣泛應(yīng)用于工具、刀具、量具和模具。但硬質(zhì)合金仍存在韌性較低的缺點(diǎn)，妨礙著它在一些場(chǎng)合下的應(yīng)用。為改善其韌性提高其強(qiáng)度，有研究者采用熱處理技術(shù)強(qiáng)化硬質(zhì)合金。但關(guān)于熱處理的強(qiáng)化機(jī)制，各研究者的觀點(diǎn)頗不一致，有的強(qiáng)調(diào)顯微結(jié)構(gòu)的變化[1-2]，有的將 WC-Co合金強(qiáng)度和韌性的改善歸結(jié)為淬火后合金應(yīng)力的改變[3-4]，有的認(rèn)為熱處理改變合金中γ相的結(jié)構(gòu)組成和形貌是其強(qiáng)化原因[5]，但普遍認(rèn)為熱處理是一種行之有效的強(qiáng)化鈷基硬質(zhì)合金的方法。近年來(lái)，孫忠繼[6]提出磁場(chǎng)淬火對(duì)鋼的性能改善作用明顯，能大幅度提高材料的強(qiáng)度和韌性，并指出高溫順磁性?shī)W氏體在外強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下可發(fā)生磁化變形，使奧氏體形成高密度的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，并有彌散碳化物析出；這種位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)在淬火后被馬氏體繼承并限制了馬氏體長(zhǎng)大，細(xì)化了組織，從而使經(jīng)磁場(chǎng)淬火的材料獲得強(qiáng)韌化效果[7]。鈷作為黏結(jié)相廣泛用于鈷基硬質(zhì)合金中，鈷也屬于一種磁性物質(zhì)，具有一定的鐵磁性能[8]，因此采用磁場(chǎng)淬火有可能改善鈷基硬質(zhì)合金性能，但是硬質(zhì)合金磁場(chǎng)淬火的詳細(xì)研究及機(jī)理分析還未見(jiàn)報(bào)道。本文作者以WC-6%Co為代表的鈷基硬質(zhì)合金和WC-6%Ni為代表的鎳基硬質(zhì)合金為研究對(duì)象，研究磁場(chǎng)淬火處理后，合金相關(guān)物理性能的變化，并結(jié)合掃描電鏡和金相分析，探討磁場(chǎng)淬火處理前后合金顯微結(jié)構(gòu)變化與合金性能的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)樣品為四川科立特硬質(zhì)合金股份有限公司提供的YG6(WC-6%Co)和YN6(WC-6%Ni)合金。樣品尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為B型樣21 mm×6.7 mm×5.5 mm和沖擊試樣5 mm×5 mm×50 mm。

合金高溫加熱以及回火都在氬氣保護(hù)下于管式電阻爐中進(jìn)行，高溫加熱(1 100±5) ℃，保溫20～25 min，在圖1(b)所示線圈中進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度為2 T的磁場(chǎng)淬火15 min后，在管式電阻爐中(500±5) ℃回火3 h，然后空冷。其中磁場(chǎng)淬火采用南京金狼電器生產(chǎn)的長(zhǎng)脈沖充磁機(jī)，裝置如圖1所示。

試樣經(jīng)粗磨、精磨和拋光后，用HV-10B型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)定硬度，試驗(yàn)中每個(gè)樣品測(cè)量5～6個(gè)點(diǎn)，結(jié)果去除最高值和最低值后取算術(shù)平均值。

抗彎試樣尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為21 mm×6.7 mm×5.5 mm，在WE-30型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)。

圖1 熱磁淬火裝置圖Fig.1 Equipment of magnetic quenching

在JX-6300擺捶式?jīng)_擊機(jī)上，將尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為5 mm×5 mm×50 mm的試樣進(jìn)行一次性沖斷，計(jì)算斷裂時(shí)樣品所消耗的沖擊功與橫截面的比值即為所測(cè)樣品的沖擊韌性，每組試樣不少于5個(gè)，測(cè)量結(jié)果取平均值。

采用Sirion 200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察抗彎試樣斷口和淬火處理前后合金內(nèi)部組織形貌。

采用Dmax-2500VB X線衍射儀(XRD)分析合金中Co相的相組成，采用電解脫溶方法[5]，將試樣表層的WC相腐蝕掉，使表面形成不含WC相的富鈷層，在 X線衍射儀上對(duì)鈷相的面心立方 α-Co(111)衍射線和密排六方ε-Co(103)衍射線步進(jìn)掃描，用直接對(duì)比法定量分析Co相的相組成，進(jìn)行分析對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 合金磁場(chǎng)淬火前后的物理性能

合金磁場(chǎng)淬火前后的物理性能如表1所示。由表1可知：對(duì)YG6和YN6進(jìn)行(1 100±5) ℃保溫20～25 min，脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度2 T下淬火15 min后(500±5) ℃回火3 h，空冷后，YG6維氏硬度提高3.02%，橫向斷裂強(qiáng)度提高 18.24%，沖擊韌性提高 24.38%，矯頑磁力提高24.73%；而YN6合金維氏硬度沒(méi)有明顯變化，橫向斷裂強(qiáng)度提高 5.92%，沖擊韌性提高 6.97%，矯頑磁力沒(méi)有變化；YG6不加磁場(chǎng)直接淬火處理后維氏硬度提高2.38%、橫向斷裂強(qiáng)度提高 11.34%、沖擊韌性提高 14.05%而矯頑磁力沒(méi)有變化；可以看出：磁場(chǎng)淬火處理較熱處理對(duì)YG6合金的性能提高十分明顯，而磁場(chǎng)淬火處理對(duì)YN6合金的性能提高較小。鈷基硬質(zhì)合金淬火時(shí)抑制 α-Co→ε-Co轉(zhuǎn)變而鎳基硬質(zhì)合金中黏結(jié)相不存在相轉(zhuǎn)變，另外鈷具有磁性且明顯強(qiáng)于鎳是磁場(chǎng)淬火引起上述變化的原因。

表1 合金相關(guān)物理性能Table 1 Physical properties of alloys

2.2 磁場(chǎng)淬火對(duì)硬質(zhì)合金鈷相的影響

對(duì)YG6合金的3種試樣采用直接對(duì)比方法定量分析各試樣Co相的相成分，分析結(jié)果如表2所示。

表2 Co相組成分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Composition of Co phase %

從表2可以看出：經(jīng)淬火后YG6合金Co相中α-Co含量較燒結(jié)態(tài)時(shí)大幅度提高，而磁場(chǎng)淬火較直接熱處理淬火對(duì)Co相中α-Co含量的提高作用稍弱。

根據(jù)硬質(zhì)合金強(qiáng)度理論[9]，鈷相在受力時(shí)產(chǎn)生塑性變形，從中松弛應(yīng)力，協(xié)調(diào)兩相應(yīng)變狀態(tài)，阻礙裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，提高合金強(qiáng)度。Co金屬具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，室溫下為密排六方結(jié)構(gòu)ε-Co，塑性較差；當(dāng)加熱至427 ℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)α-Co，具有高的塑性與韌性[10]。WC在加熱時(shí)雖無(wú)相變發(fā)生，但在高溫下W與C將部分溶解于Co基黏結(jié)相中，WC在Co相中溶解度隨溫度升高而增加。加熱時(shí)ε-Co轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Co，若進(jìn)行快速冷卻淬火，可抑制α-Co向ε-Co轉(zhuǎn)變，將溶解有WC的α-Co保留到室溫，保留越多，力學(xué)性能愈好[10-11]。淬火后再進(jìn)行回火，既消除淬火應(yīng)力，又控制α-Co飽和固溶體分解與彌散析出，達(dá)到固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化雙重目的，有效提高 WC-Co硬質(zhì)合金的強(qiáng)韌性。由表2看出：經(jīng)過(guò)淬火后硬質(zhì)合金Co相中α-Co含量大幅度提高，這必然會(huì)改善硬質(zhì)合金的沖擊韌性。磁場(chǎng)淬火與常規(guī)淬火比較，α-Co含量基本相當(dāng)，但前者較直接熱處理淬火后Co相中α-Co含量提高作用稍弱。

淬火后W和C在Co相中的固溶度增加將導(dǎo)致合金比飽和磁化強(qiáng)度降低，淬火引起的磁疇細(xì)化使磁疇壁的總面積增加和顯微應(yīng)力增加導(dǎo)致合金矯頑磁力升高[12]。而ε-Co存在很強(qiáng)的各向異性，它的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致矯頑磁力升高，α-Co相則會(huì)引起矯頑磁力的降低[13]。綜合這2方面因素看來(lái)，本研究中YG6合金常規(guī)淬火后矯頑磁力測(cè)試并沒(méi)有變化可能是這兩者結(jié)合作用的結(jié)果。磁場(chǎng)淬火后合金矯頑磁力提高作用明顯，主要是外磁場(chǎng)引起合金組織的磁化形變?cè)斐傻模瑫r(shí)與磁場(chǎng)淬火后α-Co相含量較常規(guī)淬火低有一定的關(guān)系。

由于鎳不存在相轉(zhuǎn)變，在磁場(chǎng)淬火過(guò)程中作為黏結(jié)相的鎳沒(méi)有相變發(fā)生，因此磁場(chǎng)淬火處理對(duì)鎳基硬質(zhì)合金性能影響不大。

2.3 磁場(chǎng)淬火對(duì)硬質(zhì)合金微觀組織的影響

常規(guī)淬火和磁場(chǎng)淬火都可使合金組織發(fā)生變化，圖2所示為YG6合金淬火前、磁場(chǎng)淬火以及常規(guī)淬火SEM照片。對(duì)比圖2(a)和(b)可以看出：鈷基硬質(zhì)合金進(jìn)行磁場(chǎng)淬火，其晶粒定向偏轉(zhuǎn)，有趨向一致的傾向；并且碳化鎢晶粒表面變得明顯粗糙，呈現(xiàn)出“鋸齒”狀，這增大了碳化鎢晶粒與黏結(jié)相的接觸面積，從而提高了碳化鎢晶粒與黏結(jié)相之間的結(jié)合力，這在宏觀上使硬質(zhì)合金表現(xiàn)出強(qiáng)度更高的效果；而僅通過(guò)熱處理常規(guī)淬火的圖 2(c)中看不到圖 2(b)中的現(xiàn)象，這說(shuō)明上述現(xiàn)象是磁場(chǎng)淬火所引起的。這種磁化形變可能是合金經(jīng)磁場(chǎng)淬火后矯頑磁力提高的原因。圖3所示為YG6合金淬火前、磁場(chǎng)淬火以及常規(guī)淬火后的金相照片。圖4所示為YG6合金淬火前、磁場(chǎng)淬火以及常規(guī)淬火WC相形態(tài)照片。結(jié)合圖3和圖4可以看出：淬火可使合金中WC相形態(tài)發(fā)生變化，WC-Co類硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相為WC相，是六方晶體，屬于不等軸晶系[13]，因而在液相燒結(jié)過(guò)程中的溶解和析出具有方向性，從而使得硬質(zhì)合金中的WC顆粒呈現(xiàn)尖銳棱角狀如圖4(a)。棱角的存在導(dǎo)致應(yīng)力分布極不均勻，引起應(yīng)力集中，對(duì)硬質(zhì)合金的韌性不利[14]。經(jīng)過(guò)淬火處理后，WC在 Co中的溶解度增加，WC的轉(zhuǎn)溶通常發(fā)生在棱角處，使棱角轉(zhuǎn)化為圓滑狀態(tài)(圖4(b)和4(c))。這種圓滑的棱角降低了接觸點(diǎn)的應(yīng)力集中，有利于提高WC的韌性。而對(duì)比圖4(b)和(c)則可以發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)淬火后WC顆粒這種趨于圓滑狀棱角的趨勢(shì)比常規(guī)淬火更加明顯。圖5所示為磁場(chǎng)淬火前后YG6合金斷口SEM照片。從圖5(b)中可以看出：鈷基硬質(zhì)合金磁場(chǎng)淬火后較圖 5(a)中解理斷裂(箭頭所示)明顯減少。

圖2 淬火前后YG6合金SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of YG6 before and after quenching

圖3 淬火前后YG6合金金相照片F(xiàn)ig.3 OM images of YG6 before and after quenching

圖4 淬火前后YG6合金WC相形態(tài)Fig.4 WC images of YG6 before and after quenching

圖5 磁場(chǎng)淬火前后YG6合金斷口的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of fracture surface of YG6 before and after quenching

圖6所示為YN6合金淬火前、磁場(chǎng)淬火以及常規(guī)淬火 SEM 照片。對(duì)比圖 6(a)，(b)和(c)可以看出：鎳基硬質(zhì)合金高溫時(shí)直接淬火與高溫時(shí)加入磁場(chǎng)淬火，晶粒都沒(méi)有明顯變化，Ni的居里點(diǎn)較低，常用來(lái)生產(chǎn)無(wú)磁硬質(zhì)合金，碳溶解進(jìn)入黏結(jié)相中會(huì)減小鎳的磁性，甚至較輕微脫碳的 WC-Ni硬質(zhì)合金也會(huì)使矯頑磁力值顯示出零[15]。高溫加熱保溫過(guò)程中，WC晶粒發(fā)生溶解，鎳黏結(jié)相中碳濃度更高，這樣就促使其對(duì)外加磁場(chǎng)感應(yīng)很弱，不足以引起晶粒的偏轉(zhuǎn)，表1中矯頑磁力測(cè)試結(jié)果也可以看出：磁場(chǎng)淬火前后YN6合金矯頑磁力基本沒(méi)有變化。

圖6 淬火前后YN6合金SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of YN6 before and after quenching

圖7所示為YN6合金淬火前、磁場(chǎng)淬火以及常規(guī)淬火后的金相照片。從圖7中同樣可以看出：淬火后WC相形態(tài)發(fā)生了變化，WC顆粒的尖銳棱角狀更多的轉(zhuǎn)化成圓滑狀，這降低了接觸點(diǎn)的應(yīng)力集中，有利于提高WC的韌性。另外淬火阻止高溫下形成的過(guò)飽和濃度的溶質(zhì)原子(W和C)的析出，而彌散分布在鎳黏結(jié)相中；這是合金強(qiáng)度和韌性提高的依據(jù)。從金相和掃描圖片可知磁場(chǎng)淬火和常規(guī)淬火對(duì) YN6合金組織的影響基本一致，之所以強(qiáng)化效果沒(méi)有鈷基硬質(zhì)合金明顯，可能原因是固溶于Ni中的WC的強(qiáng)化作用較固溶于Co中的WC的強(qiáng)化作用弱[16]，另外鎳黏結(jié)相沒(méi)有相應(yīng)的相轉(zhuǎn)變存在。

圖7 淬火前后YN6合金金相照片F(xiàn)ig.7 OM images of YN6 before and after quenching

3 結(jié)論

(1) 磁場(chǎng)淬火處理可以使 YG6的維氏硬度提高3%，橫向斷裂強(qiáng)度提高18%，沖擊韌性提高24%并改變合金磁性；磁場(chǎng)淬火較常規(guī)淬火對(duì)YG6合金性能改善作用更加明顯；而磁場(chǎng)淬火對(duì)YN6合金相應(yīng)的性能改變卻不明顯。

(2) 磁場(chǎng)淬火使鈷基硬質(zhì)合金的黏結(jié)相中α-Co含量提高，W和C在黏結(jié)相中的固溶度增加，WC晶粒棱角趨于圓滑；同時(shí)，磁場(chǎng)引起鈷基硬質(zhì)合金中 WC晶粒出現(xiàn)鋸齒狀形貌并偏轉(zhuǎn)為有序方向排列，是合金性能改善的主要原因。

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