超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)

張晶，商義葉，潘永智

(1.濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 機(jī)械制造系，山東濟(jì)南 250103;2.濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022)

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，航空鋁合金以其高強(qiáng)度、低密度、切削性能優(yōu)越的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造中。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件多為大型薄壁件，金屬切除量大，表面品質(zhì)和尺寸精度要求高，通常采用整體硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行高速銑削加工。高速銑削加工是斷續(xù)切削加工過程，刀具承受很高的機(jī)械循環(huán)載荷和熱交變載荷，在熱力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場作用下容易產(chǎn)生粘結(jié)-擴(kuò)散磨損和疲勞破損，因此要求刀具材料具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，即高的硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。隨著棒料成型-燒結(jié)工藝的發(fā)展，硬質(zhì)合金晶粒不斷細(xì)化，由細(xì)晶粒向亞微米晶粒乃至超細(xì)晶粒發(fā)展，整體硬質(zhì)合金刀具的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能均得到很大改善［1］。研究表明，高速切削鋁合金時(shí)的切削刃溫度300℃500℃，產(chǎn)生的熱載荷和溫度恰好處在超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金有利的特性范圍內(nèi)，允許采用更鋒利的切削刃、更高的切削速度和更大的進(jìn)給速度［2］。目前，對刀具材料制備和刀具切削性能的研究往往在各自領(lǐng)域內(nèi)孤立地進(jìn)行，很少考慮刀具材料和加工對象的力學(xué)、物理和化學(xué)性能之間的匹配問題［3］。

為此，對用于航空鋁合金高速銑削的10種硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測和分析，對比研究了硬質(zhì)合金的相組成、微觀組織結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)缺陷對力學(xué)性能的影響，為高速數(shù)控刀具材料研制和刀具切削性能研究提供了試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

對國內(nèi)外用于航空鋁合金高速銑削加工的10種硬質(zhì)合金刀具材料(試樣S1-S10)進(jìn)行了化學(xué)成分和力學(xué)性能的檢測。通常認(rèn)為WC晶粒尺寸≦0.5 μm的硬質(zhì)合金為超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金;WC晶粒尺寸在0.51.0 μm，為亞微米晶粒硬質(zhì)合金。通過X射線衍射(XRD)分析和X射線熒光(XRF)分析，對它們的化學(xué)成分及含量進(jìn)行了檢測，成分和編號列于表1。試樣S1-S10來源于加工航空鋁合金用的整體硬質(zhì)合金刀具或棒料。經(jīng)線切割、研磨后，制成尺寸為d3.25 mm×38 mm的標(biāo)準(zhǔn)C試樣，用三點(diǎn)彎曲法測定材料的抗彎強(qiáng)度，跨距為14.5 mm，加載速率為0.5 mm/min。用Vickers硬度計(jì)測定了材料的維氏硬度HV30。用壓痕法測量了材料的斷裂韌性。分別用Leica-DM金相顯微鏡、QHS-2005C型體視顯微鏡和HITACHIS570型掃描電鏡分析了材料的金相形貌、斷口和微觀組織結(jié)構(gòu)。進(jìn)行金相和SEM觀察前，合金試樣分別用20vol%(體積百分含量)NaOH和20vol%K3Fe(CN)6混合水溶液，F(xiàn)eCl3與濃鹽酸的飽和溶液進(jìn)行腐蝕處理后，用乙醇清洗。

表1 試樣的化學(xué)成分及WC晶粒度

2 結(jié)果和討論

2.1 化學(xué)成分對力學(xué)性能的影響

用X射線衍射儀(XRD)對硬質(zhì)合金試樣S1S10的化學(xué)成分進(jìn)行了定性分析，結(jié)果表明只有WC相和Co相的衍射峰，沒有出現(xiàn)含量較少的抑制劑的衍射峰。進(jìn)一步用3080E2型X射線熒光(XRF)儀對試樣的化學(xué)成分進(jìn)行了定量分析，結(jié)果顯示10種硬質(zhì)合金試樣均為K類(YG類)硬質(zhì)合金，硬質(zhì)相為WC，粘結(jié)相為Co，抑制劑為Cr3C2和 VC，還含有微量 Mo，見表 1。

a)Co含量的影響

對于亞微米和超細(xì)硬質(zhì)合金，當(dāng)Co含量增加時(shí)，硬度降低，而斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度都呈上升趨勢。當(dāng)Co含量從9.5wt%上升到12wt%時(shí)，亞微米硬質(zhì)合金的硬度(HV30)從1 500 ×9.8 N/mm2下降到1 350 ×9.8 N/mm2，而斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度分別從7.6 MPa·m1/2，3 870 MPa上升到9.2 MPa·m1/2，4 200 MPa。當(dāng) Co 含 量 在 11.5wt% -12.5wt%時(shí)，超細(xì)硬質(zhì)合金的硬度(HV30)＞1 460×9.8 N/mm2，抗彎強(qiáng)度＞4 300 MPa，斷裂韌性達(dá)10 MPa·m1/2;進(jìn)一步提高Co含量到13.5wt%，合金獲得了11.7 MPa·m1/2的高韌性和 4 500 MPa的高強(qiáng)度，但硬度迅速下降至1 350 ×9.8 N/mm2，見圖1 圖3。

圖1 Co含量與硬質(zhì)合金硬度的關(guān)系

Co含量及其分布不但影響控碳量，晶粒長大和致密度等燒結(jié)過程參數(shù)，還對γ相平均自由程和WC晶粒鄰接度等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，因此Co含量并非越高越好，而是存在一個(gè)平衡硬度和強(qiáng)度、韌性的最優(yōu)值。

b)抑制劑的影響

加工航空鋁合金使用的超細(xì)硬質(zhì)合金刀具材料Co含量較高，晶粒很細(xì)，燒結(jié)過程中WC晶粒通過溶解-析出機(jī)制迅速長大。抑制晶粒長大最有效的方法就是添加抑制劑。由XRF分析可知，試樣S1S10中均添加了Cr3C2和VC抑制劑，另外還有微量的Mo。燒結(jié)時(shí)VC和Cr3C2完全溶解于粘結(jié)相，冷卻時(shí)VC以納米(WV)C顆粒析出，Cr3C2則固溶在粘結(jié)相中并在WC/Co界面偏聚。VC和Cr3C2的析出偏聚阻礙了小粒子WC晶粒通過溶解-析出機(jī)制在大粒子WC晶粒上轉(zhuǎn)移，因此抑制了晶粒長大［4］。添加VC細(xì)化WC晶粒效果優(yōu)于Cr3C2，，硬質(zhì)合金的硬度更高;但添加Cr3C2使W在γ相中的溶解度明顯提高，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使合金有更高的韌性和強(qiáng)度。超細(xì)硬質(zhì)合金通常同時(shí)添加這兩種抑制劑。

由表1可知，Cr3C2和 VC抑制劑添加量較小，＜1.0wt%。這是因?yàn)橐种苿┖窟^高，晶粒得到細(xì)化的同時(shí)降低了WC在γ相中的溶解度和液相量，抑制了致密化過程，留下殘留孔隙。添加微量Mo目的是改善硬質(zhì)相和粘結(jié)相的潤濕性，細(xì)化晶粒［5］。

2.2 微觀組織結(jié)構(gòu)

圖4是試樣S1-S9拋光表面的SEM照片。圖中WC硬質(zhì)相呈亮白色，暗黑色的相是Co粘結(jié)相和孔隙。WC晶粒呈現(xiàn)棱柱狀，連貫的WC/WC邊界處呈現(xiàn)一定的位向關(guān)系。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(S3，S7，S9)的WC鄰接度高于亞微米硬質(zhì)合金(S1，S2，S5，S6)。

圖4 試樣S1S9拋光表面的掃描電鏡照片

a)晶粒度，平均自由程和WC鄰接度

由修正的Hall-Petch公式［6］，硬質(zhì)合金的硬度H，抗彎強(qiáng)度σf與晶粒度LWC的關(guān)系為

式中:Kσ，KH和a，b為常數(shù)(a，b＞0)

由式(1)，式(2)可見，當(dāng)晶粒尺寸減小時(shí)，硬質(zhì)合金的硬度和抗彎強(qiáng)度均提高。超細(xì)硬質(zhì)合金的硬度、韌性和強(qiáng)度都要優(yōu)于亞微米硬質(zhì)合金。

硬質(zhì)合金中γ相的平均自由程λ是既代表合金的顯微結(jié)構(gòu)又反映合金成分的綜合特征參量。λ與WC晶粒度LWC和γ相的體積分?jǐn)?shù)fγ存在如下關(guān)系［7］

當(dāng)晶粒度減小時(shí)，平均自由程減小，WC晶粒鄰接度提高，依靠WC-WC晶界上鈷膜的粘結(jié)WC形成剛性骨架［8］，承受外加載荷引起的合金變形，硬度明顯提高;另一方面增加fγ含量，使平均自由程λ增大、WC鄰接度降低，有利于在WC骨架和Co粘結(jié)相之間形成塑性變形緩沖區(qū)，形變的約束得到松弛，從而提高了硬質(zhì)合金的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度。因此在保持平均自由程在某一最佳值下，通過細(xì)化晶粒，適當(dāng)提高Co含量及其均勻性是改善硬質(zhì)合金綜合力學(xué)性能的有效途徑。

b)微觀結(jié)構(gòu)缺陷

超細(xì)晶粒合金對其結(jié)構(gòu)缺陷有相當(dāng)?shù)拿舾行裕执缶Я！o池、孔隙都會形成初始裂紋源［9］，在高速銑削過程中刀具材料受循環(huán)機(jī)械-熱載荷作用，微裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致崩刃和破損，使刀具失效。

試樣S8的SEM照片顯示了Co池(Co聚集)和晶粒異常長大，見圖4。超細(xì)粉末在球磨過程中硬質(zhì)相與粘結(jié)相分散不均勻以及燒結(jié)過程中的溫度場氣氛濃度存在差異都會形成 Co池。試樣 S10的 WC平均晶粒度為0.6 μm，最大晶粒達(dá)10 μm，晶粒異常長大導(dǎo)致了低硬度(1 355×9.8 N/mm2)，低韌性和強(qiáng)度(8.3 MPa·m1/2，3 700 MPa)，見圖5(a)。進(jìn)一步對S10進(jìn)行體視顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)合金斷口呈現(xiàn)梅花狀或點(diǎn)狀的“黑絮”組織，即滲碳相(石墨相)。當(dāng)碳含量超過理論含量后，多余的游離碳在低于共晶點(diǎn)的溫度下與WC和γ相產(chǎn)生三元共熔反應(yīng)，合金組織為WC+γ+C三相狀態(tài)，導(dǎo)致硬質(zhì)合金燒結(jié)液相點(diǎn)的降低，相當(dāng)于增加了液相量并延長了液相量保持時(shí)間，WC晶粒的長大與液相量及其存在時(shí)間有關(guān)，WC溶解析出量越大，WC晶粒越容易長大［10］。

圖5 試樣S10的結(jié)構(gòu)缺陷

結(jié)論

1)相組成對超細(xì)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能有較大影響。隨著Co含量增加，硬度增加，斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度降低。當(dāng)WC晶粒度為0.4 μm，Co含量為12wt%時(shí)，材料綜合力學(xué)性能最佳。抑制劑(＜1wt%)VC和Cr3C2起到了抑制晶粒長大和固溶強(qiáng)化的效果。

2)Co含量相同，超細(xì)硬質(zhì)合金的硬度、強(qiáng)度和韌性明顯優(yōu)于亞微米硬質(zhì)合金。理論分析表明，細(xì)化晶粒，適當(dāng)提高Co含量是改善硬質(zhì)合金綜合力學(xué)性能的有效途徑。

3)超細(xì)硬質(zhì)合金的力學(xué)性能對其結(jié)構(gòu)缺陷相當(dāng)敏感。晶粒分布不均勻、Co池及滲碳等結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致材料力學(xué)性能顯著降低。

［1］張梅琳，朱世根，朱守星.超細(xì)及納米硬質(zhì)合金中碳含量的變化對組織性能的影響［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2006，20(8):65-68.

［2］Gille G，Szesny B，Dreyer K，et al.Submicron and ultrafine grained hardmetals for microdrills and metal cutting inserts［J］.International Journal of Refractory Metals＆ Hard Metals，2002，20:3-22.

［3］艾興等.高速切削加工技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.114-119.

［4］王沖，邵剛勤，段興龍.納米復(fù)合WC-Co粉末成型與燒結(jié)研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽通報(bào)，2005(1):97100.

［5］李寧，龍堅(jiān)戰(zhàn)，周永貴，等.超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金的組織與性能特征［J］.硬質(zhì)合金，2005，22(2):6-9.

［6］Knudsen F P.Dependence of the mechanicalproperties of brittle polycrystalline specimens on porosity and grain size［J］.Journal of the American Ceramic Society，1959，42:376-387.

［7］Porat R，Malek J.Binder mean free-path determination in cemented carbide by coercive force and material composition［J］.Israel Journal of Technology，1988，24(3-4):405-414.

［8］劉壽榮.WC-Co硬質(zhì)合金性能與成分和顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系［J］. 理化檢驗(yàn)-物理分冊.2003，39(2):70-74.

［9］Petersson A.Cemented carbide sintering:constitutive relations and microstuctural evolution［D］.Stockholm Sweden:Doctoral dissertation，Royal Institute of Technology，2004.

［10］范景蓮，李志希，繆云，等.超細(xì)/納米硬質(zhì)合金及晶粒長大抑制劑的研究［J］.粉末冶金技術(shù)，2004，22(5):259-265.