VC的不同添加方式對WC-6%Ni(Cr3C20.9%)硬質合金組織的影響

辛海艷，楊 勝，王芳艷，林應鎂

(自貢硬質合金有限責任公司，四川 自貢 643011)

隨著工業的不斷進步，硬質合金在石油開采、水處理等領域的應用越來越深入，對硬質合金的耐磨性、耐腐蝕性也提出了新的要求。加之無磁硬質合金的發展，越來越多的Ni基硬質合金被開發出來。Ni基硬質合金與Co基硬質合金相比具有耐腐蝕性好[1-2]、原料價格低等優點[3]，在某些領域已經完全用Ni基硬質合金替代Co基硬質合金。

Ni基超細晶粒硬質合金特別適用于對耐磨性、耐腐蝕性要求高的環境，是硬質合金牌號開發的一個新的方向。在Ni基超細晶粒硬質合金生產過程中往往加入Cr3C2、VC、TaC等用于抑制晶粒長大同時改善合金性能。所選抑制劑的種類及添加方式對最終硬質合金的顯微結構、物理性能往往會產生不同的影響。Bernhard 研究發現在WC-10%Ni(質量分數)硬質合金中VC 的晶粒生長抑制效果最佳，其次是TaC、Cr3C2、TiC、ZrC[4]。本文研究了WC-6%Ni(Cr3C20.9%)合金分別在WC碳化階段和在混合料球磨階段加入VC，硬質合金組織的差異。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗原料技術參數如表1所示，其中Ni粉為羥基鎳粉，上海百洛達公司提供，WC為自貢硬質合金有限責任公司生產。

1.2 合金制備

按照表2所示成分及配比稱取各原料加入球磨桶中，兩組樣品配比均含有Ni 6.0%、Cr3C20.9%，其中樣品組1含有WC93.1%(碳化階段加入0.6% VC)；樣品組2含有VC 0.6%、WC 92.5%。

表1 實驗原料技術參數

表2 原料配比

球磨機轉速為72 r/min，球磨54小時后卸料，料漿在真空干燥柜中70℃干燥120 min，過篩得到混合粉末。粉末經25 t單柱式液壓機壓制成25 mm×25 mm×8 mm的試樣，試樣在5 MPa壓力爐中進行低壓燒結，最高溫度1460 ℃，保溫時間90 min，最大壓力5 MPa。

1.3 樣品檢測

肉眼觀察樣品表面形貌;使用S-3000N 掃描電鏡觀察樣品表面及斷面形貌;使用S-3000N 掃描電鏡檢測樣品不同部位成分;使用DMI5000M 型金相顯微鏡觀察樣品微觀組織。

2 實驗結果

2.1 形貌分析

肉眼觀察兩組樣品表面形貌可以看出，第一組樣品表面顏色均勻一致，第二組樣品表面出現麻面，如圖1所示。使用S-3000N掃描電鏡放大100倍觀察麻面樣品表面可以發現黑白相間的區域，放大1500倍觀察麻面樣品黑色區域可見疑似液相滲出的形態，如圖2所示。兩組樣品表面研磨0.2 mm并拋光處理后使用DMI5000M 型金相顯微鏡放大1500倍觀察金相組織如圖3所示，第一組樣品出現輕微Ni池，第二組樣品較多Ni池。使用S-3000N掃描電鏡放大10000倍觀察兩組樣品斷面如圖4所示，第一組樣品斷面存在少量1 μm以下的顯微孔隙，第二組樣品斷面存在較多1μm以下的顯微孔隙。

樣品組1 樣品組2圖1 樣品燒結后表面形貌

放大100倍觀察 黑色區域放大1500倍圖2 S-3000N掃描電鏡觀察樣品組2表面形貌

樣品組1 樣品組2圖3 兩組樣品金相形貌(1500倍)

樣品組1 樣品組2圖4 兩組樣品斷面形貌(10000倍)

2.2 成分分析

使用S-3000N掃描電鏡對樣品組2表面成分進行分析如圖5、表3所示，表面白色區域Ni含量3.59%，低于配料成分6.0%；樣品黑色區域Ni含量47.38%，V含量 1.13%，Cr含量1.73%，均高于配料成分配比，存在Ni、V、Cr聚集和偏析的現象。

使用S-3000N掃描電鏡對樣品組1、樣品組2斷面進行成分分析如圖6、圖7，表4、表5所示，發現樣品組1斷面不同區域成分與配料成分基本接近；樣品組2顯微孔隙內Ni含量分別是68.86%、35.45%、46.92%，整個斷面Ni含量8.18%，存在Ni聚集的現象。

圖5 第二組樣品表面掃描電鏡分析區域

表3 第二組樣品表面掃描電鏡分析結果(%)

圖6 第一組樣品斷面掃描電鏡分析區域

表4 第一組樣品斷面掃描電鏡分析結果(%)

圖7 第二組樣品斷面掃描電鏡分析區域

表5 第二組樣品斷面掃描電鏡分析結果(%)

3 結果分析

由上述分析可知，在WC碳化階段添加VC的樣品組1表面顏色均勻一致，表面及斷面成分分布均勻，斷面存在少量1μm以下的顯微孔隙及Ni池。在混合料球磨階段添加VC的樣品組2表面出現麻面，實際是Ni的聚集，斷面也存在Ni聚集的現象，并且存在較多1μm以下的顯微孔隙。

Ni具有較好的延展性，在球磨過程中Ni粉先發生塑性變形成為薄片，再產生疲勞裂紋進而被破碎，很容易出現團聚現象，因此Ni基合金很容易因為Ni的分布不均勻而產生Ni聚集。

VC、Cr3C2的加入可以起到抑制晶粒長大的作用，當前的研究認為有三種機理：一是抑制劑VC、Cr3C2與Co、Ni等具有較低的共晶溫度，可優先溶解于液相中，降低了WC在液相中的溶解度，抑制了WC的溶解析出過程；二是抑制劑吸附在WC晶粒表面，降低了表面能，減小了溶解析出的動力；三是抑制劑沿WC/WC 界面偏析，阻礙了WC 界面的遷移，阻止WC 顆粒發生聚集長大[5]。

上述三種抑制機理都是通過抑制WC的溶解析出過程起到抑制WC晶粒長大的作用，WC溶解析出過程受阻會減少燒結過程的液相量，不利于燒結致密化過程。加之WC與Ni的潤濕性較差，會阻礙液相遷移。因此兩組樣品燒結體內都存在1μm以下的顯微孔隙，燒結過程中在外界壓力作用下，液相填充部分孔隙形成Ni聚集。

特別是VC在球磨階段以單質形式加入，比以固溶體的形式加入共晶溫度更低，阻礙WC溶解析出的作用更明顯。同時VC本身不容易彌散，在VC聚集區VC位于WC晶粒間，阻礙了Ni的流動和填充，因此樣品組2顯微孔隙更多，Ni聚集的現象也更加明顯，甚至出現麻面。

4 結語

由于Ni本身的特性以及抑制劑在抑制晶粒長大的同時對燒結致密化過程起到阻礙作用，導致兩組樣品斷面均存在1μm以下的顯微孔隙及Ni池。又因為在球磨階段添加VC共晶溫度更低，并且彌散性差，對Ni的流動和填充起到阻礙作用，導致樣品組二斷面孔隙更多，并產生嚴重的Ni聚集，甚至出現麻面。晶粒抑制劑的種類及添加方式對Ni基硬質合金的顯微組織及各項物理性能有顯著的影響，Ni基材質開發過程中，應重點關注。