抑制劑對超細晶硬質合金性能影響概述

徐 偉

（江鎢硬質合金有限公司，江西 靖安 330699）

超細晶和納米晶硬質合金由于具有高硬度和高強度一直是業界發展的熱點方向之一。但是在制造超細硬質合金的過程中，由于所使用的WC粉末的活性比一般的WC粉末活性高得多，因此在燒結過程中晶粒會出現異常長大的現象，導致組織不均勻，對產品的性能產生影響[1，2]。使用抑制劑是制備超細硬質合金的重要途徑之一。本文將介紹抑制劑的機理、種類及抑制劑對超細晶硬質合金性能的影響。

1 抑制劑的主要作用和抑制機理

添加抑制劑的主要作用有四個方面：①抑制碳化鎢晶粒的長大，使合金對燒結溫度和時間的敏感性降低；②擴大YG合金二相區，降低碳含量變化對合金性能的影響；③改變了相成分，進而改善了合金性能；④提高合金的耐熱性和抗月牙洼磨損能力。抑制劑的作用機理目前被認為有以下3種：①優先溶解于Co相中，同時被包覆在于WC顆粒表面，降低WC的表面能，從而降低了WC在液相中的溶解度；②沿著WC/WC界面偏析，阻礙WC界面的遷移，阻礙了WC顆粒發生聚集長大；③抑制劑的加入能有效的降低WC在合金中的溶解度。

2 抑制劑種類

抑制劑的種類有 ：VC，Cr3C2，TaC，NbC，TiC，ZrC，Mo2C，HfC，(TaC、Nb）C。常用的抑制劑有Cr3C2，VC，TaC。最常用最典型的抑制劑是TaC，抑制效果最好是VC，這是因為VC在Co中具有較高的溶解性和彌散能力，因而抑制劑在早期就起到了抑制碳化鎢晶粒長大的作用；微量Mo2C和Cr3C2的添加幾乎沒有抑制WC晶粒長大的作用；在相同的添加劑量條件下。ZrC和HfC的抑制WC晶粒長大的效果幾乎相等[1]。

3 不同抑制劑對超細晶硬質合金性能的影響

下面將介紹幾種常用抑制劑對超細晶硬質合金性能的影響。

3.1 Cr3C2對超細晶硬質合金性能的影響

張雪輝[3]等研究了Cr3C2的添加對WC-6%Co硬質合金性能的影響。硬度和斷裂韌性會隨著添加量的增加出現先增大后下降的趨勢。當合金的最佳性能出現在Cr3C2添加量為0.45%時，此時硬度為1933 HV，斷裂韌性達12.5MPa.m1/2。在WC-10Co合金的研究中同樣出現了類似的變化趨勢[4]。

抗彎強度方面孫文文[5]對WC-8%Co-0.5%(VC/Cr3C2)硬質合金研究認為當抑制劑Cr3C2含量從0增加到0.1%時，合金的抗彎強度得到了一定程度的提高，但繼續增加Cr3C2含量，合金的抗彎強度出現了明顯的下降。當添加量為0.1%C時，抗彎強度達到峰值為2450 MPa。由于WC晶粒的非均勻長大現象隨著Cr3C2的加入得到了很好的控制，從而使合金的晶粒更細更均勻。晶粒尺寸越細小越均勻，合金強度和硬度就越高，但是當抑制劑的添加量過高時，從而形成一種復式碳化物脆性相，該相會減弱粘結相Co與碳化物的結合強度，致使合金致密度下降，最終導致合金的硬度值和強度值下降。

3.2 VC對超細晶硬質合金性能的影響

合金的硬度會隨著VC添加量的增加先增大后減小，加入VC優先溶解于Co相中，從而使WC晶粒的溶解～析出過程受到了阻礙，從而晶粒得到細化。與此同時隨著VC能夠增大邊界能從而降低二維成核的能量，緩解了形核的速率，阻止WC晶粒的長大。在鈷含量不變的情況下隨著VC的加入，強化晶界和相界，細化晶粒，從而導致整個合金硬度升高[6]合金的抗彎強度同樣會隨著VC含量的增加先增大后減小。隨著VC的加入，晶粒得到細化，合金強度增加，同時也會增加組織的缺陷，如孔隙等。這些會導致合金性能的惡化，進而使合金的強韌性顯著下降。當VC添加量過多時，會生成大尺寸(W，V)C的復式碳化物相，從而導致了所生產的合金強度低。

劉雪梅[7]等采用SPS燒結制備的不同VC含量硬質合金塊體材料樣品。

當VC的添加量小于5.0%時，合金的相對密度均大于97%，隨著VC添加量的增加，合金硬度明顯的增加，斷裂韌性下降。韓小偉[8]等認為添加0.5%的VC對W-Co類硬質合金的致密性最好、硬度最高，內部微觀結構缺陷更少綜合性能最好。李海艷[9]等認為當VC添加量0.5%時，合金的硬度值可達到93.0 HRA，其綜合性能最好。

3.3 TaC對超細晶硬質合金性能的影響

隨著TaC的加入提高了合金的紅硬性、耐磨性能、抗氧化性能、高溫強度、沖擊韌性、抗熱震性。Ta可以通過影響界面能從而使合金冷卻時先形成的骨架強度更高，因此添加TaC是提高合金質量的有效途徑。

TaC的抑制機理是球磨時吸附在WC晶體表面，使一部分的WC最終被TaC單分子包覆，這樣可以防止相鄰的晶體一起長大，從而受到抑制。與此同時，TaC可以優先溶解到在液態鈷相中，一定程度上阻礙了溶解-析出機制，從而使晶粒得到細化及固溶強化，受到這一現象的影響，強度值和硬度值上升。

但是當TaC的添加量超過了在Co相中的飽和固溶度，過量的Ta原子會在WC晶界處形核析出，而液相中鄰近的Ta原子則會迅速遷移、聚集在形核點處并與W、C原子一同形成(Ta，W)C相析出，這將危害合金的強韌性，導致抗彎強度降低。當TaC添加質量分數低于0.5%時，TaC主要溶解在Co相中，起到固溶強化和細晶強化作用[10]。同時晶粒異常長大現象的抑制作用較為明顯，細化后的WC晶粒尺寸約為0.5μm，硬度為HV30=21.27GPa，比沒有抑制劑的試樣增加約8.98%[11]。

4 結語

由于各種抑制劑的作用機理及各個階段抑制效果的不同，且抑制劑都有各自的優點與不足，在實際的應用中通常使用兩種及兩種以上的抑制劑組合使用，以實現最佳的抑制劑效果。