熱處理對超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能的影響

吳沖滸，陳杉杉

(廈門鎢業(yè)股份有限公司，福建廈門 361009)

WC-Co硬質(zhì)合金中，粘結(jié)相Co起橋接硬質(zhì)相骨架的作用。Co相的組織結(jié)構(gòu)對硬質(zhì)合金的強(qiáng)度、韌性起重要作用。早在1940年，國外已經(jīng)開始這方面的研究，研究焦點(diǎn)主要集中在熱處理對Co相織構(gòu)的影響，及其導(dǎo)致硬質(zhì)合金性能的變化［1］。

在燒結(jié)過程中，粘結(jié)相Co中始終伴隨著WC的溶解析出［2］，該過程能夠改變硬質(zhì)合金Co相的結(jié)構(gòu)和組成。文獻(xiàn)報(bào)道通過熱處理，可觀察到Co相中析出的細(xì)小WC顆粒［3］，起到彌散強(qiáng)化作用。W-Co-C三元相圖計(jì)算已經(jīng)證明，隨著溫度的升高，WC在Co相中溶解度不斷增加［4］。采用熱處理的方式，在低溫時仍能保持Co相中較高的WC溶解量［5］，將體現(xiàn)出整體固溶強(qiáng)化效果。自然降溫過程中，Co具有從高溫穩(wěn)定相面心立方(fcc)轉(zhuǎn)變成密排六方(hcp)的趨勢，相變溫度點(diǎn)為417℃。fcc具有12個滑移面，hcp僅有3個滑移面［6］，快冷工藝能夠保留塑性較好的fcc相，提高合金的韌性。在Co相中溶解W和C，可提高Co相的層錯能，抑制了堆垛位錯到馬氏體相變［7－8］，提高馬氏體相轉(zhuǎn)變溫度，穩(wěn)定 fcc結(jié)構(gòu)。以上研究結(jié)果闡明了熱處理強(qiáng)化硬質(zhì)合金的基本原理，為熱處理在硬質(zhì)合金中應(yīng)用起到推動作用。

但到目前為止，熱處理較為成功的應(yīng)用，主要集中在礦山鑿巖工具、硬質(zhì)合金頂錘等中粗晶和粗晶硬質(zhì)合金［9－10］。普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，合適的熱處理工藝提高了產(chǎn)品的硬度、抗彎強(qiáng)度和韌性［11－12］。然而，超細(xì)晶硬質(zhì)合金熱處理強(qiáng)韌化效果存在較大爭議［13－14］，有研究認(rèn)為熱處理可使斷裂韌性提高，而會使抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性降低。針對這些觀點(diǎn)，本文開展了超細(xì)晶硬質(zhì)合金熱處理效果的專題研究。利用島津爐中制備0.8 μm WC-10%Co超細(xì)晶硬質(zhì)合金，進(jìn)行不同熱處理工藝(快冷+回火)，試圖驗(yàn)證熱處理對超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

原料采用金鷺特種合金有限公司RTP混合料，WC 粒度0.8 μm，Co粉粒度 0.8 μm。島津爐型號PVSGgr20/20，壓力 0.9 MPa，按相同燒結(jié)工藝制備0.8 μm WC-10%Co 超細(xì)晶硬質(zhì)合金，其中晶粒抑制劑Cr的含量大約為0.6%。快冷溫度點(diǎn)分別為1050和1250℃，回火溫度分別為300、500和800℃，并保溫3 h，如圖1所示。采用X＇Pertpro型號的X射線衍射儀進(jìn)行相成分檢測;Tukon2100B硬度儀測試HV30和KⅠC;ZDHC40自動矯頑磁力測量儀測試Hc。

圖1 熱處理工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat treatment process

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 常規(guī)性能

經(jīng)過快冷+回火處理試樣的常規(guī)性能如表1所示。序號為1-1正常燒結(jié)試樣的抗彎強(qiáng)度TRS達(dá)到4325 MPa，其他試樣的抗彎強(qiáng)度均在4000 MPa以下。這說明熱處理過程將會導(dǎo)致合金抗彎強(qiáng)度的降低，而顯然快冷起始溫度點(diǎn)1250℃比溫度點(diǎn)1050℃的平均抗彎強(qiáng)度高。常規(guī)性能測試結(jié)果表明，Hc和HV30經(jīng)過熱處理后略有降低。

表1 試樣常規(guī)性能Table 1 Routine properties of samples

斷裂韌性測試，試樣拋光時間在5 min左右，盡量保持熱處理后材料的真實(shí)體應(yīng)力。從表中可以看出，斷裂韌性表現(xiàn)較為復(fù)雜，不經(jīng)回火處理的2-1和3-1試樣KⅠC值明顯降低，300、500和800℃回火處理后的試樣中，500℃回火溫度KⅠC值最高，該值高于未經(jīng)過熱處理的合金;而其他回火溫度KⅠC值并未改善，甚至可能降低。

2.2 Co相分析

表2為3-3試樣與正常試樣Co衍射峰位值及計(jì)算hcp/fcc比值，測試前經(jīng)過30 min拋光處理，消除表面應(yīng)力，排除WC顆粒的壓應(yīng)力對Co相峰位值的影響。表中Co(hcp)和Co(fcc)與標(biāo)準(zhǔn)峰值相比，小角度偏移量增加，可以證明經(jīng)過熱處理后WC固溶量增加。同時，熱處理試樣的中Co相保留更多的高溫穩(wěn)定相。

表2 XRD分析及相比例計(jì)算結(jié)果Table 2 XRD analysis and phase ratio calculations

3 分析討論

3.1 熱處理工藝

熱處理工藝對超細(xì)晶硬質(zhì)合金的性能影響十分顯著。W-Co-C三元相系中，1000℃時W和C在開始明顯的固溶到Co中，隨著溫度的提高W和C固溶量提高，1200℃時固溶量大約提升到10%左右。因此，較高的快冷起始溫度有利于大量的W和C溶解到Co相中。同時，硬質(zhì)相4.4×10－6/℃和粘結(jié)相14.2×10－6/℃較大的熱膨脹系數(shù)差異，也限制了快冷起始溫度不能過高。實(shí)驗(yàn)表明1250℃快冷起始點(diǎn)材料呈現(xiàn)較優(yōu)的硬度和抗彎強(qiáng)度。

回火主要是為了消除快冷工藝而產(chǎn)生體應(yīng)力［15］，但Co的馬氏體相轉(zhuǎn)變點(diǎn)也對回火態(tài)合金性能產(chǎn)生影響。由于W和C的溶解，Co的fcc相轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)由417℃提高到500℃，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道該相變溫度可達(dá)到820℃［16］。從表2可知，回火溫度處于馬氏體相變溫度點(diǎn)時，fcc相轉(zhuǎn)變量較少，應(yīng)力可部分消除。高溫穩(wěn)定fcc相保留量多，Co相塑性高，合金斷裂韌性高;同時，合金體應(yīng)力殘留多，斷裂韌性測量值偏高。因此，500℃回火溫度KⅠC值最高，而300℃和800℃回火溫度，可能未能到達(dá)fcc相轉(zhuǎn)變和體應(yīng)力消除之間最佳狀態(tài)，導(dǎo)致KⅠC值偏低。

3.2 晶粒度

實(shí)驗(yàn)中超細(xì)晶硬質(zhì)合金經(jīng)過快冷+回火處理后，合金的硬度和抗彎強(qiáng)度降低。從數(shù)據(jù)分析可知，隨著回火溫度提高，矯頑磁力呈下降趨勢。這是由于長時間回火，而引起了晶粒長大現(xiàn)象。如圖2所示，從試樣腐蝕的金相面對比來看，并未觀察到晶粒明顯長大的現(xiàn)象。采用截線法測量超細(xì)晶硬質(zhì)合金的晶粒度，并計(jì)算Weibull分布，如圖3所示。兩種工藝的晶粒累計(jì)分布曲線形式未發(fā)生變化，但熱處理后的最小粒度和最大粒度均偏大，驗(yàn)證了熱處理后超細(xì)硬質(zhì)合金晶粒矯頑磁力下降與晶粒長大直接相關(guān)。

圖2 正常工藝和熱處理后試樣SEM照片(a)corrosion surface of normal process;(b)corrosion surface of rapid cooling and tempering processFig．2 SEM photos of normal process and heat treated specimens

在Co含量相同時，超細(xì)晶硬質(zhì)合金的Co平均自由程低于粗晶硬質(zhì)合金，熱處理引起的Co成分和結(jié)構(gòu)的變化，對超細(xì)晶硬質(zhì)合金性能影響較弱，整體呈現(xiàn)出硬度和抗彎強(qiáng)度降低，晶粒尺寸增大的關(guān)系。而對于中粗和粗晶硬質(zhì)合金而言，粗大WC顆粒對溫度敏感性較弱，同時較大Co平均自由程，有利于Co相呈現(xiàn)強(qiáng)化效果，使材料呈現(xiàn)硬度、抗彎強(qiáng)度和韌性提高的效果。

超細(xì)晶粒長大受到晶粒抑制劑添加量的影響。本實(shí)驗(yàn)中，晶粒抑制劑0.6%Cr的加入，限制W和C溶解最大值，這對超細(xì)晶硬質(zhì)合金熱處理效果也產(chǎn)生了負(fù)面影響。經(jīng)Cr添加量對晶粒抑制晶粒生長實(shí)驗(yàn)，證明Cr添加量為0.4% ～0.6%時，超細(xì)晶WC晶粒生長出現(xiàn)穩(wěn)定的平臺，該結(jié)果證實(shí)晶粒抑制劑加入量存在可調(diào)節(jié)空間，為解決晶粒長大和固溶量之間的矛盾提供了方法。

圖3 粒度的Weibull分布Fig.3 Weibull distribution of particle size

4 結(jié)論

1)超細(xì)晶硬質(zhì)合金經(jīng)熱處理后，確實(shí)存在斷裂韌性提高，而硬度和抗彎強(qiáng)度降低的可能性。其原因是:合理的熱處理溫度，促使Co相中保留較多的fcc結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力適中，合金斷裂韌性提高;而超細(xì)晶粒對溫度敏感的必然性，導(dǎo)致熱處理過程中晶粒長大，造成硬度和抗彎強(qiáng)度的下降。

2)采用加入晶粒抑制劑Cr的方式，可抑制W和C的溶解析出，削弱因熱處理對Co相的固溶強(qiáng)化作用。3)合理的熱處理工藝，配合適當(dāng)?shù)木ЯＩL抑制劑的使用，可獲得熱處理對超細(xì)晶性能全面提升。

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