超細晶WC-Co硬質合金制備工藝研究

楊樹忠，王玉香，肖穎奕，張 帆，許 洋

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

硬質合金素有“工業牙齒”的美譽，是一類以碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）為硬質相，以粘結金屬（Co、Ni、Fe等）為粘結相，通過粉末冶金工藝制備的一種復合材料[1，2]。根據Sandivik公司關于硬質合金分類的標準，WC晶粒度在0.2μm～0.5μm之間的為超細晶硬質合金[3，4]。超細晶硬質合金作為高性能硬質合金的代表，具有高強度、高硬度、高耐磨性等特點[5，6]，廣泛應用于切削加工、電子工業等領域[7]。尤其加工電路板用的微型鉆頭，由于直徑很小，只能采用超細晶硬質合金來制造[8]。

相較于其他粒級的硬質合金，超細晶硬質合金在實際生產中更容易受設備和工藝因素的影響。超細WC粉由于比表面積較大，表面活性高，容易發生團聚和氧化，在實際的制備過程中產生聚晶、夾粗、微孔隙等缺陷[7-9]，大大降低超細晶硬質合金的綜合性能。在混料過程中添加Cr3C2、VC、TaC、NbC、Mo2C等碳化物作為晶粒長大抑制劑可以在一定程度上解決超細晶硬質合金夾粗的問題。

本文以超細WC粉、Co粉為主要原料，在混料過程中添加晶粒長大抑制劑，于脫蠟-低壓燒結一體爐中完成超細晶硬質合金的燒結，系統研究了球磨時間對超細晶WC-Co硬質合金的組織結構與性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗過程

實驗所采用的原料規格如下表1所示。將超細WC粉、Co粉、Cr3C2、VC粉末按照表2實驗設計方案的比例配料，在滾筒球磨機中進行濕磨混料。混料工藝為球料比5:1，以酒精為濕磨介質，酒精添加量為380mL/kg，球磨時間7 h。將混合料漿置于真空干燥箱中，于70℃～80℃抽真空干燥5h～6h。干燥后的混合料經40目篩網擦篩后，在150MPa壓力下壓制成抗彎強度測試標準B試樣壓坯（成功尺寸為6.5mm×5.25mm×20mm，尺寸誤差±0.25mm）。壓坯在COD 733RL-64bar型低壓燒結爐中進行脫蠟、燒結。燒結溫度為1410℃，保溫時間60 min，保壓壓力5 MPa。

表1 實驗原料性能

表2 實驗設計方案

1.2 性能檢測

圖1 實驗原料形貌

將燒結后的硬質合金試樣擦拭干凈（或磨拋）后進行檢測。利用阿基米德原理，在XS204型密度計上測量硬質合金試樣的密度；采用MCOM-3型鈷磁儀上測試硬質合金鈷磁；采用HC YSK-1型矯頑磁力計測試合金矯頑磁力；在CMT5105萬能試驗機上測試硬質合金三點抗彎強度，加載速率為4mm/min；采用Durascan全自動維氏硬度計測試硬質合金硬度，加載力為3kg，保壓時間為10s～15s；采用10wt.%的鐵氰化鉀和10wt.%的氫氧化鈉體積比1:1混合溶液對磨拋后的樣品表面進行腐蝕，腐蝕時間2min～3 min，在OLYMPUS SZX16金相顯微鏡或FEI Inspect F50場發射掃描電鏡上觀察硬質合金顯微組織，并用SEMEDS能譜分析系統進行元素的定性與定量分析。

2 結果與討論

2.1 球磨時間對物理性能的影響

圖2 不同球磨時間的硬質合金物理性能

如圖2所示為不同球磨時間的密度、鈷磁、矯頑磁力變化曲線。從圖中可以看出，隨著球磨時間的延長，合金密度呈略微上升趨勢，總體變化不大，鈷磁呈逐漸降低的趨勢，而矯頑磁力則呈逐漸升高的趨勢。這是因為，隨著球磨時間的延長，超細WC粉與Co粉等原料的氧含量會逐漸變高，增加的氧含量在合金燒結過程中會消耗合金中的碳，降低合金中的總碳，結果表現為合金鈷磁逐漸降低。而球磨時間的延長，也會使得WC粉末不斷被破碎，最終硬質合金燒結后的WC晶粒度不斷降低，表現為硬質合金矯頑磁力逐漸升高；隨著球磨時間的延長，WC粉末破碎效果逐漸減弱，矯頑磁力的增長趨勢也逐漸變弱。

2.2 球磨時間對力學性能的影響

不同球磨時間下合金的維氏硬度、抗彎強度變化曲線。從圖中可以看出，硬質合金維氏硬度隨著球磨時間的延長而增加，這和矯頑磁力的變化曲線類似，反映出在相同Co含量下，硬質合金的硬度隨WC晶粒度的減小而增加，且球磨時間對于硬質合金硬度的貢獻逐步減弱，在球磨64 h后維氏硬度達到1730 HV3。

根據Hall-Petch公式：

公式（1）中，σ為屈服強度，σ0為單晶屈服強度，k是常數，d為晶粒大小。可以發現，隨著球磨時間的延長，合金晶粒不斷細化，硬質合金的細晶強化效果不斷增強，硬質合金的抗彎強度隨之提高，球磨48h以后，硬質合金的抗彎強度增加變得緩慢，在球磨64h后抗彎強度達到5137MPa。

圖3 不同球磨時間的硬質合金力學性能

2.3 球磨時間對組織結構的影響

如圖4所示為不同球磨時間下硬質合金的金相圖。從圖中可以看出，不同球磨時間下，合金顯微組織均顯示出較高的致密化，金相顯微組織顯示為A02B00C00，WC晶粒較為細小，分布較為均勻。由于細晶強化作用，四組硬質合金均表現出優異的力學性能。

圖4 不同球磨時間的硬質合金金相組織

3 結論

隨著球磨時間的延長，WC粉不斷被破碎細化，得到的合金WC晶粒度逐漸降低，使得合金的硬度和抗彎強度不斷升高。

四組合金的金相顯微組織均較為致密，為A02B00C00，WC晶粒細小，分布較為均勻，因而表現出優異的力學性能。球磨64 h后的硬質合金力學性能最高，維氏硬度為1730HV3，抗彎強度為5173 MPa。