粗晶粒硬質(zhì)合金材料的制備與表征

華 濤， 郭智興， 楊 露， 荊凱峰， 鮮 廣

（四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都610065）

0 引 言

硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物（通常為WC、TiC等）和黏結(jié)金屬（通常為Co、Ni、Fe）組成，并采用粉末冶金工藝制備而成的多相固體材料，廣泛應(yīng)用在礦山工具、耐磨零件以及切削刀具［1-2］。晶粒度小于0.5 μm的超細(xì)硬質(zhì)合金因具有高強(qiáng)度和高硬度等優(yōu)異的性能而成為研究熱點，并廣泛應(yīng)用于切削刀具［3-4］。但超細(xì)硬質(zhì)合金的斷裂韌性不足，在隧道、石油等掘進(jìn)領(lǐng)域難以發(fā)揮巨大作用，因此具有優(yōu)異的斷裂韌性和良好的耐磨性的粗晶硬質(zhì)合金（WC平均晶粒度在3.5～4.9μm、5.0～7.9μm和8.0～14μm范圍內(nèi)分別稱為粗晶、超粗和特粗硬質(zhì)合金）受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注［5-11］。

本文使用不同粒度的WC粉體制備了粗晶、超粗和特粗3種級別的粗晶粒硬質(zhì)合金，使用X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并檢測其力學(xué)性能，以研究WC晶粒度對于粗晶粒硬質(zhì)合金性能的影響。

1 實驗部分

（1）球磨。將粒度分別為9.8、22.5和27.4μm的粗顆粒WC粉末與Co粉末放入不銹鋼球磨桶中，制備3組不同粒度的WC-6Co混合粉末。研磨設(shè)備為行星式球磨機(jī)，研磨體為直徑10 mm的硬質(zhì)合金球，研磨介質(zhì)為汽油，球料比為4∶1，研磨速度68 r／min，研磨時間20 h，同時加入2.3%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）石蠟作為成形劑一起球磨。研磨結(jié)束后，將料漿經(jīng)400目篩網(wǎng)過濾，卸入料盤，然后放入電熱干燥柜中干燥，取出料盤后經(jīng)60目過篩。

（2）成型。利用液壓機(jī)將混合料進(jìn)行模壓成型，稱取不同質(zhì)量的粉末，壓制成尺寸為6.5 mm×5.25 mm×20 mm的試樣條，并依次標(biāo)記為A1、A2、A3，用作微觀組織和物理性能檢測。

（3）燒結(jié)。在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 440℃，保溫時間1 h。

（4）表征。燒結(jié)后用作顯微形貌分析的試樣先用金剛石砂輪磨削，然后用研磨膏拋光成鏡面，用S-4800型掃描電子顯微鏡對燒結(jié)試樣進(jìn)行微觀形貌分析；使用Philips PW-1700 X射線衍射儀進(jìn)行XRD分析；在WE-100B型萬能材料試驗機(jī)上用三點彎曲法測得橫向斷裂強(qiáng)度，用HV-50A型維氏硬度計測量維氏硬度，并根據(jù)壓痕裂紋長度計算斷裂韌性。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌

使用掃描電子顯微鏡獲得硬質(zhì)合金試樣的微觀形貌，如圖1所示。隨著WC粉末粒度的增大，燒結(jié)體的WC晶粒也明顯隨之增大，A1、A2、A3的平均WC晶粒度分別為3.90、7.77和8.83μm，符合粗晶、超粗和特粗的標(biāo)準(zhǔn)。短時間球磨并未產(chǎn)生較大的粉末顆粒破碎，并且Co相分布均較為均勻。大尺寸WC晶粒的形狀以由多邊形為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐运倪呅螢橹鳎环植荚诖骔C晶粒周圍的小WC晶粒為球磨時部分破碎的粗顆粒粉末或原始細(xì)粉末，燒結(jié)時未完全溶解在Co相，其多為不規(guī)則形狀；WC／WC晶界逐漸減少，其連接方式以角對角為主轉(zhuǎn)變?yōu)榻菍吅瓦厡厼橹鳎丿B程度增加，使得WC晶粒間的聯(lián)系更加緊密，但Co相出現(xiàn)部分聚集。

相同制備工藝條件下，WC粉末的粒度越大，硬質(zhì)合金中WC的晶粒度越大，Co相也越厚；液相燒結(jié)時，WC顆粒的邊角處和細(xì)小顆粒優(yōu)先溶解在Co相中，并在大顆粒上析出，小尺寸晶粒的數(shù)量減少且其形狀由不規(guī)則形變?yōu)檫吔菆A化的規(guī)則形；但由于燒結(jié)活性隨著粉末粒度增大而降低，WC的溶解-析出效率降低，大顆粒WC粉末更多地是在其邊角處的溶解-析出，使得大尺寸WC晶粒兩兩之間接觸程度增加，尺寸超過WC平均晶粒度的WC晶粒的數(shù)量增多，形狀也由不規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)樗倪呅巍?/p>

2.2 物相分析

圖2為A1、A2、A3試樣的XRD圖譜。使用Jade軟件對XRD圖譜進(jìn)行物相鑒定分析。結(jié)果表明衍射峰與WC相吻合較好，由于Co的含量僅為6%以及WC的晶粒度較大，因此衍射峰被WC的衍射峰掩蓋。下面主要對WC相對應(yīng)的衍射峰進(jìn)行分析。

圖2 粗晶粒硬質(zhì)合金試樣的XRD圖譜

隨著WC粉末的粒度提高，3組衍射峰對應(yīng)的衍射角沒有發(fā)生明顯的偏移，衍射峰的峰寬變窄。XRD衍射峰的峰寬主要與3種因素有關(guān)，即晶粒尺寸、晶格應(yīng)力和儀器自身原因。根據(jù)Williamson-Hall方法［12-13］計算微觀應(yīng)變，即將衍射角和半高寬聯(lián)系起來，

式中：θ為衍射半角；β為半高寬；λ為Cu Kα1波長，即0.154 06 nm；K為Scherrer常數(shù)，一般取0.89；ε為晶粒內(nèi)部微觀應(yīng)變；D為晶粒尺寸。根據(jù)XRD衍射峰檢索報告，帶入θ值和β值，進(jìn)行線性擬合后，線性函數(shù)的斜率即為微觀應(yīng)變。如圖3所示，A1、A2、A3的微觀應(yīng)變分別為0.039 06%、0.055 5%、0.058 94%，微觀應(yīng)變均較小，因此其對衍射峰寬的影響很小，主要原因仍是晶粒度變大，倒易球變小，使得XRD衍射峰變窄。

圖3 Williamson-Hall法計算應(yīng)變分析圖

2.3 物理力學(xué)性能

WC粉末粒度與其橫向斷裂強(qiáng)度和維氏硬度的關(guān)系如圖4所示。隨著WC粉末粒度的增加，橫向斷裂強(qiáng)度和維氏硬度均降低，分別由2 973.5 MPa、1 169.9 HV30降低到2 042.0 MPa、915.5HV30。

圖4 粗晶粒硬質(zhì)合金WC粉末粒度與其橫向斷裂強(qiáng)度和維氏硬度的關(guān)系

隨著WC粉末粒度的提高，橫向斷裂強(qiáng)度和硬度均降低［14-15］。表明WC晶粒尺寸增大后，晶界減少，受到外力后，位錯運(yùn)動受到WC／WC晶界以及WC／Co相界的阻礙減少，數(shù)量減少的晶界也使得裂紋分配路徑減少，晶界阻礙位錯運(yùn)動的作用降低，從而使得橫向斷裂強(qiáng)度和硬度降低。

2.4 斷裂行為

粗晶硬質(zhì)合金試樣在30 kg的載荷下經(jīng)金剛石正棱錐體壓頭受壓后，其棱形壓痕和壓痕其中一角處裂紋的SEM顯微形貌如圖5所示。由于粗晶硬質(zhì)合金中WC晶粒尺寸較大，Co相較厚，其斷裂模式多以穿晶斷裂為主，而裂紋在WC晶粒內(nèi)拓展需要較大的斷裂能，因此斷裂韌性較高。

裂紋的數(shù)量和斷裂模式可以直觀反映斷裂韌性的大小。圖5（a）顯示A1中的裂紋長度和寬度均較大，裂紋沿著WC晶粒內(nèi)部拓展，有的裂紋直接從WC晶粒中間穿過；圖5（c）顯示A3中的裂紋在WC晶粒內(nèi)部拓展時發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，主要沿著WC晶粒的邊角處延伸直至穿過晶粒，而不向WC晶粒內(nèi)部拓展；圖5（b）顯示A2中裂紋較少，WC晶粒的完整性在三者中最好。

圖5 粗晶粒硬質(zhì)合金試樣的維氏硬度壓痕及壓痕處裂紋的SEM顯微形貌

Co相越厚，塑性變形的能力越強(qiáng)，Co相緩解應(yīng)力集中的能力越強(qiáng)，裂紋尖端的應(yīng)力集中越小，則斷裂韌性越好［16］。但A3中WC晶粒尺寸過大，其內(nèi)部可能存在許多亞晶缺陷導(dǎo)致斷裂源增多，使得裂紋數(shù)量增多；裂紋在較大的WC晶粒內(nèi)部擴(kuò)展需要更大的能量，使得A3中WC晶粒內(nèi)部的裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，令其向WC晶粒外部延伸，穿過WC晶粒的邊角直至進(jìn)入Co相，減弱Co相阻礙裂紋拓展的效率，因此使得斷裂韌性下降。

3 結(jié) 語

本實驗制備了粗晶、超粗和特粗3種級別WC-6Co粗晶粒硬質(zhì)合金，研究了WC晶粒度對橫向斷裂強(qiáng)度、硬度、斷裂韌性的影響。燒結(jié)試樣中WC晶粒度隨原料WC粉末顆粒的增大而增大，短時間球磨并未產(chǎn)生嚴(yán)重的粉末破碎，粒度分布較為均勻，微觀應(yīng)變小；橫向斷裂強(qiáng)度和硬度降低，韌性先增后減，這與特粗WC晶粒的微觀缺陷有關(guān)，3種粗晶粒硬質(zhì)合金中超粗硬質(zhì)合金具有較好的綜合性能。本實驗研究可以轉(zhuǎn)化為粉末冶金方面的綜合性實驗教學(xué)項目，用于學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)［17］。