Fe/Ni與WC粒度對鐵鎳基硬質合金組織及性能的影響

摘 要：本文研究Fe/Ni與碳化鎢（WC）粒度對鐵鎳基硬質合金顯微組織以及性能的影響，采用粉末冶金法制備樣品，并使用X射線衍射儀（X-ray Powder Diffractometer，XRD）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）和透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）等設備分析合金組織的結構和性能，測試了合金硬度、強度等力學性能。測試結果表明，隨著Fe/Ni增加，合金致密度下降。當Fe/Ni為1/2時，合金密度最大，硬度、抗拉強度最高。進一步研究可知，當WC粒度為1.3 μm時，硬度和抗彎強度達到峰值，分別為1 320.00HV3和2 980.66 MPa。本文為優化鐵鎳基硬質合金成分和性能提供了理論支持，提升了合金的綜合性能，拓展了其應用領域。

關鍵詞：鐵鎳基硬質合金；Fe/Ni；WC粒度；顯微組織；力學性能

中圖分類號：TG 50" " " " " " 文獻標志碼：A

硬質合金在切削工具、鉆探采掘工具以及航空航天等多個領域應用前景廣闊[1-3]。研究人員以WC為基體，添加適量的鈷（Go）作為粘結相，制備強度和硬度高以及耐磨的硬質合金材料[4-6]，但是Co價格昂貴并且有毒。鐵（Fe）、鎳（Ni）元素與Co元素性質相似，研究人員嘗試使用Fe、Ni來代替Co，Fe-Ni相的結合不僅能夠發揮Fe和Ni各自的優點，其復合相還能夠提高合金的韌性和抗沖擊性能[7]，使硬質合金在惡劣的工作環境中保持性能穩定。

鐵鎳基硬質合金的性能受組織結構以及性能等多種因素影響，其中Fe/Ni與碳化鎢（WC）粒度是2個重要的因素，Fe/Ni的變化會改變合金的相組成、晶粒尺寸以及微觀結構，進而影響其硬度、韌性以及耐磨性等力學性能。WC是硬質合金中的硬質相，其粒度對合金的性能有明顯影響。WC粒度越小，合金硬度越高，但是粒度過小也可能導致合金的韌性下降，易發生碎裂現象。因此，合理調控Fe/Ni比例和WC粒度，以優化鐵鎳基硬質合金的組織結構并提升其性能，成為當前研究的重要方向。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本文選用純度為99.9 wt.%的WC粉、純度為99.5 wt.%的Fe粉和Ni粉作為原料，所有粉末的粒度均控制在1 μm～5 μm。

1.2 試驗方法

試驗設計了不同Fe/Ni比例（1/3、1/2、1/1、2/1和3/1）以及WC粒度（1.3 μm、3 μm、3.5 μm和6.5 μm）的WC-12%（Fe，Ni）硬質合金成分。將 WC、Co、Fe和Ni金屬粉末按照不同Fe/Ni試驗方案進行配料，隨后將粉末放入滾筒球磨機中進行濕磨混料。在混料過程中，使用WC-10Co硬質合金研磨棒作為研磨體，加入工業酒精作為濕磨介質，球料比為4∶1，在300 r/min的轉速下球磨14 h。在混料完畢后，將料漿倒入金屬料盤，放入真空干燥箱中，在70 ℃～

80 ℃的溫度下保溫6 h，進行真空干燥。干燥后進行擦篩，獲得鐵鎳基硬質合金混合料。然后，使用單項液壓機在150 MPa 壓力下將混合料壓制成抗彎強度測試標準B試樣壓坯（燒結尺寸為6.5 mm×5.25 mm×20 mm，尺寸誤差為±0.25 mm）。將壓坯在COD733RL-64bar型低壓燒結爐中進行脫蠟和燒結，燒結溫度設定為1 410 ℃，保溫時間為60 min，保壓壓力為5 MPa。

燒結后的硬質合金樣品經過磨拋處理，直至表面呈現光亮。利用阿基米德原理，采用梅特勒XS204型密度計對硬質合金試樣的相對密度進行測量。使用質量分數均為10%的鐵氰化鉀和氫氧化鈉溶液，按體積比1∶1混合后，對磨拋后的樣品表面進行腐蝕，腐蝕時間控制在2 min～3 min。

然后，利用蔡司金相顯微鏡對硬質合金的顯微組織進行觀察。采用錫珍SJ-CM-2000型矯頑磁力計對合金的矯頑磁力進行測試，使用塞塔拉姆D6025型鈷磁儀測定硬質合金的鈷磁。硬度測試則通過Emcotest Dura Scan 20 G5型全自動維氏硬度計完成，加載力設為30 N，保壓時間保持在10 s～15 s。

最后，利用三思CMT5105萬能試驗機對硬質合金的三點抗彎強度進行測試，跨距設置為14.5 mm，加載速率選定為4 mm/min。

2 試驗結果和分析

2.1 Fe/Ni對合金密度的影響

圖1說明了不同Fe/Ni比例合金的致密度。經過低壓燒結，對比了WC-10%（Fe，Ni）硬質合金的實際密度與理論密度。由于Ni的密度大于Fe，隨著Ni含量減少，合金的理論密度也會變小，即合金的理論密度隨Fe/Ni比例的增加而逐漸變小。5組合金試樣致密度均處于較高水平，5號合金試樣出現輕微脫碳現象，導致其密度變大，實際密度超過了理論密度。1～4號合金試樣的組織中均未觀察到石墨相或脫碳相，且試樣孔隙度均達到A02、B00、C00級別。

當Fe/Ni為3/1時，在合金燒結過程中出現輕微脫碳現象，導致合金密度增大，實際密度大于理論密度。

當Fe/Ni為2/1、1/1和1/2時，合金中粘結相的Fe含量減少，Ni含量逐漸增大，合金液相燒結能力增強，有助于縮小孔隙，提高致密度，使實際密度可能更趨近于理論密度。當Fe/Ni為1/2時，實際密度與理論密度最接近，致密度最高。

當Fe/Ni為1/3時，在燒結過程中，雖然Ni含量較多能夠使液相粘結效果更好，但是Ni的密度小于WC，因此實際密度增加幅度有限。同時，Ni含量過多可能影響合金的機械性能和耐腐蝕性。

2.2 Fe/Ni對合金性能的影響

不同Fe/Ni的合金矯頑磁力如圖2所示。

圖2為不同Fe/Ni對WC-10%（Fe，Ni）硬質合金矯頑磁力的影響。由圖2可知，隨著Fe/Ni增加，合金中Fe含量增多，矯頑磁力逐漸變大，但是當Fe/Ni為2/1時變小。當Fe/Ni為1/3時，合金中Fe含量較少，Ni含量較多。由于Ni的磁學性能與Fe不同，因此影響了磁疇的排列和磁化過程，使矯頑磁力相對較小。當Fe/Ni為1/2、1/1時，隨著Fe含量增加和Ni含量減少，磁疇的釘扎效應可能得到增強，導致矯頑磁力逐漸變大。當Fe/Ni為2/1時，盡管Fe含量較多，但是未達到使矯頑磁力明顯變大的程度，同時可能出現一定的中間相，導致矯頑磁力變小。當Fe/Ni為3/1時，Fe含量明顯增多。由于Fe的磁矩和磁化強度較高，增強了合金內部磁疇的釘扎效應，并限制了磁疇的移動，因此矯頑磁力明顯變大。

不同Fe/Ni的合金物理性能如圖3所示。

由圖3可知，不同Fe/Ni對WC-10%（Fe，Ni）硬質合金硬度和抗彎強度性能的影響規律。隨著Fe/Ni增加，合金試樣的硬度呈現先增大再減少的趨勢。但是，當Fe/Ni為3/1時，合金試樣出現脫碳現象，硬度驟增，達到1 180HV3。當Fe/Ni為1/3時，合金試樣硬度為980HV3，當Fe/Ni為1/2時，試樣硬度為1 080HV3，隨著Fe/Ni逐漸增至1/1、2/1，試樣硬度逐漸減少至970HV3和950HV3。表明Fe/Ni為1/2時是一個相對適中的比例。鐵鎳的加入在一定程度上抑制了WC晶粒的增大，晶粒細化增加了晶界的數量，而晶界能夠阻礙位錯的運動，使硬質合金具有較高的硬度。

不同的Fe/Ni會改變粘結相的性能，進而影響硬質合金的抗彎強度。當Fe/Ni適當時，粘結相能夠與WC硬質相更好地結合，發揮良好的粘結作用，提高材料的抗彎強度[8]。Fe的含量過高可能會導使粘結相的脆性提高，而Ni含量過高則可能導致粘結相的強度下降，這些情況都會降低硬質合金的抗彎強度。由圖3可知，5組合金試樣的抗彎強度隨著Fe/Ni增加呈現先提高再降低的趨勢，并且當鐵鎳質量分數為1/2時達到最大。當Fe/Ni為1/3時，合金試樣抗彎強度為

2 853.09 MPa，當Fe/Ni增至1/2時，合金試樣抗彎強度達到峰值3 007.48 MPa。當Fe/Ni繼續增至1/1、2/1以及3/1時，合金試樣的抗彎強度逐漸降至2 735.99 MPa、2 685.50 MPa和2 423.41 MPa。綜上所述，當鐵鎳質量分數為1/2時，鐵鎳粘結相能夠提高合金的抗彎強度。

2.3 WC粒度對合金密度的影響

為了研究WC粒度對WC-10%（Fe，Ni）硬質合金組織性能的影響，選擇了Fe/Ni為1/2的合金作為基礎。實驗中，分別采用了1.3 μm、3.0 μm、3.5 μm和6.5 μm四種不同的WC粒度，對WC-10%（Fe，Ni）硬質合金進行了燒結。在燒結后，對不同WC粒度的合金致密度進行了分析，結果如圖4所示。

圖4說明了低壓燒結后WC-10%（Fe，Ni）硬質合金的致密度與WC粒度的關系。隨著WC粒度變大，合金的致密度呈現逐漸降低的趨勢。細粒度WC顆粒能夠緊密堆積，顆粒間空隙較小，使單位體積內的物質含量相對較多。在燒結過程中，這種細粒度有利于物質的充分擴散和結合，從而減少了因孔隙等缺陷導致的密度變小情況，保持了較高的密度。相反，隨著WC顆粒的增大，顆粒間孔隙相對增大，堆積變得疏松，單位體積內的物質含量減少。 在燒結過程中，由于WC顆粒較大，導致物質擴散不充分，因此密度變小。

2.4 WC粒度對合金性能的影響

硬質合金的矯頑磁力受其組織結構、成分及工藝條件的影響。在WC-10%（Fe，Ni）硬質合金中，粘結相由Fe和Ni組成，且成分固定為10%，因此其對矯頑磁力的影響可以忽略。同時，采用相同的燒結工藝，也排除了制備工藝對矯頑磁力的影響因素。

WC是硬質合金的主要硬質相，其粒度會直接影響合金的顯微結構和性能。不同WC粒度的合金矯頑磁力如圖5所示。由圖5可知，隨著WC粒度增大，合金的矯頑磁力逐漸變小。當WC粒度變小時，晶界面積相對增加，導致磁化阻力變大，從而使矯頑磁力變強。反之，隨著WC粒度增大，晶粒間空隙增大，粘結相分散程度可能降低，在磁化過程中疇壁的運動阻力變小，使材料的矯頑磁力變弱。在本文中，當碳化鎢粒度從1.3 μm增至6.5 μm時，矯頑磁力從5.4 kA/m逐漸降至1.7 kA/m，這個結果與上述規律相符。

不同WC粒度的合金物理性能如圖6所示。由圖6可知，當WC粒度為1.3μm時，合金性能較強，其硬度和抗彎強度均為測試樣品峰值，細小的晶粒能夠形成更致密的微觀結構，減少材料內部缺陷，從而提升合金硬度。細顆粒的WC使粘結相在其周圍分布更均勻，增強了整體硬度。在WC含量相同的情況下，細顆粒WC占比相對較大，是合金硬度提高的原因之一。

隨著WC粒度的增大，粗顆粒間的結合變得相對疏松，易產生微觀缺陷和空隙，導致整體硬度下降。同時，粗顆粒WC周圍的粘結相分布不均，也會降低硬度。

WC粒度對合金的抗彎強度有很大影響，一方面，細顆粒的WC能夠提高材料的均勻性，減少局部應力集中，在一定程度上提高了抗彎強度；另一方面，細粒度會存在更多的晶界，對合金的晶界強化更明顯。當承受應力時，應力能均勻分散于各晶界，提高了抗彎強度。相反，WC顆粒變粗會降低顆粒分布的均勻性。當承受應力時，會導致局部應力集中，降低抗彎強度。粗WC顆粒與粘結相的結合界面相對較少，可能會影響材料的整體結合強度，對抗彎強度產生不利影響。

3 結論

本文通過燒結不同Fe/Ni及不同WC粒度的WC-10%（Fe，Ni）硬質合金材料，發現了4種合金性能的變化規律。1）當Fe/Ni等于3/1時，合金中Fe含量較多，增強了合金內部磁疇的釘扎效應，并且阻礙了磁疇移動，使矯頑磁力明顯變大，從3.0以下增至6.6，與其他Fe/Ni合金相比，提高了127.6%。2）隨著Fe/Ni增加，合金致密度逐漸降低，硬度變化不大，當鐵鎳質量分數為3/1時，合金發生輕微脫碳，硬度提高；當鐵鎳質量分數為1/2時，合金的綜合性能較高，其致密度最接近100%，硬度和抗拉強度分別為1 080.00 HV3和3 007.48 MPa。3）隨著WC粒度增加，合金致密度逐漸變小，細顆粒能夠更緊密地堆積，減少了孔隙等缺陷出現的情況，粗顆粒會導致物質擴散不充分，密度變小。WC粒度越小，晶界面積越大，磁化阻力變大，矯頑磁力相應變大。4）WC粒度變大，合金硬度和抗彎強度降低，當WC粒度為1.3 μm時，其硬度和抗彎強度最高，分別為1 320.00HV3和2 980.66 MPa。

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