不同工艺条件对WC－20%Co硬质合金性能的影响

吴 翔，廖 军，刘方舟

（自贡硬质合金有限责任公司，四川自贡 643011）

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不同工艺条件对WC－20%Co硬质合金性能的影响

吴 翔，廖 军，刘方舟

（自贡硬质合金有限责任公司，四川自贡 643011）

采用高能球磨法制备WC－Co粉末，分别在低压和真空条件下制备WC－20%Co硬质合金，通过对合金性能的检测和金相组织的观察，研究了球磨时间和烧结工艺对硬质合金性能的影响。结果表明，球磨时间对硬质合金性能和组织结构有明显的影响；通过控制适当的球磨时间，可提高硬质合金的硬度和高韧性；通过调节工艺，真空烧结也可以提高合金的性能，低压烧结对粗颗粒WC为原料的合金的综合性能提高不明显。

WC－Co硬质合金；球磨时间；低压烧结；真空烧结

高科技的迅猛发展需要性能更加优越的新材料，并对材料的硬度、强度及耐磨性提出了更高的要求［1］。硬质合金在的工业中应用范围极其广泛，其中包括钻探工具、线材拉伸中的抗磨零件挤压模具、成形模具和各种机器的耐磨表面［2］。实际上，硬质合金生产过程中，原料固然重要，而球磨工艺和烧结工艺的选择对其性能同样有至关重要的影响，但在以往的文献资料中报道甚少，本文就如何确定WC粉的球磨时间和烧结工艺，从而使合金晶粒度控制在一个良好的范围内，进行一些探讨。

1 实验过程

本实验原料采用自贡硬质合金有限责任公司生产的高温WC［费氏粒度FSSS为21.8μm，总碳含量（质量分数）6.05%、游离碳含量0.020%］及金川公司生产的钴粉（FSSS为1.55μm、含氧量0.42%）。

将WC粉800 g和Co粉200 g进行混合，加入己烷340 mL作为球磨介质，然后放入600 L可倾式滚动球磨机中进行球磨，球料比为4∶1；球磨时间结束前2 h，停机，取样（约40～50 g，送成分分析），然后取20 g石蜡熔融，倒入球磨筒中，再继续球磨，4批试样的球磨时间分别为8 h、12 h、16 h、20 h。球磨结束后，将料浆直接卸入料盘，沉淀约10 min，将料盘上层清亮已烷倒出，然后将料盘放入电热干燥柜中干燥15～20 min、干燥温度小于60℃（具体干燥时间以擦筛后不显硬料粒为准），取出料盘，将物料过60目筛擦筛。将制得的混合料用冲压模压制，500型脱蜡烧结一体低压烧结炉烧结，分别采用低压烧结、1＃工艺真空烧结和2＃工艺真空烧结，低压烧结最高温度为1 405℃（保温90 min），在最高温度时打压压力为5 MP保温保压50 min，真空烧结最高温度为1 410℃（保温90 min），制成合金样。

利用英国MASTERSIZER 2000型激光粒度分布仪测量球磨后的粒径分布，排水法测定合金密度，德国KOERZEMAT 1.096型矫顽磁力仪测其矫顽磁力，法国塞塔拉姆公司生产的D6025型钴磁仪测定硬质合金相对磁饱和，日本三丰公司生产的ARK－600型洛氏硬度计测量其硬度，维氏硬度压痕法计算试样的断裂韧性KIc，三点弯曲试验是测定硬质合金抗弯强度，德国莱卡公司DMI5000M型金相显微镜观察金相。

2 结果与讨论

2.1 WC粒度分布情况

激光粒度分析仪测得的不同球磨时间WC的粒度分布情况列于表1，从粒度组成分析的数据来看，平均粒度随着球磨时间的延长而减小，晶粒的均匀程度在16 h最好，此时粒径离差系数取得最小值，为0.545 7，粉末的粒度分布明显变窄，这对合金的制备是十分有利的。

表1 不同球磨时间WC的粒度分布

粗颗粒和细颗粒的粒径比例与球磨时间关系见图1，从图1中可以看出，随着球磨时间的推移，合金中细WC晶粒在不断扩大，而粗WC晶粒比例在逐渐减少。这是由于硬质合金中的WC是典型的脆性材料，球磨过程中WC容易磨碎，WC破碎的难易程度除了与粒度大小和结构类型有关外，还与粉末颗粒之间的联接牢固程度有关。粗颗粒WC粉属于多晶结构。在球磨初期，先沿联接强度不大的晶界迅速破裂为单晶，使其平均粒度迅速降低。由于晶粒强度大于晶界强度，随后单晶继续破碎为更细的WC晶粒非常困难，其粒度降低不显著［3］，且随着球磨时间的延长，WC以破裂和磨耗两种粉碎方式共存，最后以磨耗为主，WC会产生微粉。

图1 粗颗粒和细颗粒的粒径比例与球磨时间关系

2.2 物理性能

密度与球磨时间的关系和磁饱和与球磨时间的关系分别见图2和图3。从图2、图3中可以看出球磨时间对密度和磁饱和的影响不大。因为烧结温度都在1 400℃以上，当达到烧结温度时，已经出现大量的液相，液相烧结中溶解－沉积阶段主要受液相传质控制，粉末粒度对相对密度影响较小。低压烧结时磁力和密度都比较稳定，但低压工艺烧结的密度却比1＃真空烧结的密度低，这是因为密度不仅与空隙度，还与碳含量都有关系。虽然在高压的作用下，促使液相在硬质合金内充分流动，有力地减少了合金中的孔隙数量，使合金接近完全致密化［4］，但是从图3的磁饱和关系可以看出来，1＃真空烧结制得的试样的含碳量却比低压工艺烧结的低。

图2 密度与球磨时间的关系

图3 磁饱和与球磨时间的关系

磁力与球磨时间的关系见图4。从图4中可以看出随着球磨时间的增加，磁力呈增大趋势，且低压烧结的磁力比真空烧结的低。众所周知，烧结温度的提高会引起晶粒长大，而低压烧结相当于提高了烧结温度，当在低压烧结中保温时间过长时，液相烧结时溶解－析出充分，大颗粒的棱角、微凸及微细的颗粒溶解在液相，当固相在液相中的浓度超饱和之后，在颗粒表面重新析出，WC晶粒发生再结晶现象，使得低压烧结合金的平均粒度比真空烧结合金的大，因此，采用低压烧结可以适当缩短烧结时间［5］，而磁力可作为间接衡量WC晶粒大小的指标［6］，磁力越小，晶粒越大。

图4 磁力与不同球磨时间的关系

硬度和晶粒度的关系满足Hall－Petch关系式：

H＝Ho＋Kyd－1／2（1）

式中d为晶粒尺寸；Ho为单晶试样硬度；H为试样硬度；Ky为常数。由式（1）可知，合金硬度随晶粒尺寸的下降而升高。硬度与烧结时间的关系曲线见图5，从图5可看出，随着球磨时间的延长，合金的晶粒度减小，所以硬度提高，低压烧结时，晶粒轻微长大［7～9］，使得低压烧结的合金硬度比真空烧结的合金硬度略低。

图5 硬度与球磨时间的关系

强度和断裂韧性与球磨时间的关系列于表2。从表2可以看出，随着球磨时间的延长，抗弯强度和断裂韧性都呈增大的趋势。其他条件一定时，强度随着钨在钴相溶解度的增大而升高，随合金中WC晶粒度的增加而减小，球磨时间较短时，物料混合不均匀，合金强度差；随着球磨时间的延长，物料混合越均匀，烧结后合金的组织更均匀，抗弯强度和断裂韧性上升，但也不能过分延长球磨时间，表中2＃工艺真空烧结在球磨16 h有一点强度下降，可能是由于烧结过程中有晶粒异常长大造成的，因为随着球磨时间的继续增加，WC的晶格畸变能和粉末活性进一步增加，在烧结时容易造成晶粒烧结过程中的异常长大，从而导致合金的强度下降［10～12］，所以控制好球磨时间和烧结工艺都是十分重要的。

表2 强度和断裂韧性与球磨时间的关系

2.3 金相照片

1＃真空烧结和低压烧结的光学金相显微像见图6（a、c、e球磨时间分别为12 h、16 h、20 h，采用1＃工艺真空烧结；b、d、f球磨时间分别为12 h、16 h、20 h，采用低压烧结。）。从图6中可以看出，真空烧结的平均晶粒比低压烧结的平均晶粒度略小，且随着球磨时间的延长，晶粒变细，这与图4得出的结论相符。WC晶粒呈多边形形貌，Co相分布均匀，显微组织中未出现WC晶粒的异常长大，表明适当的球磨时间可以细化WC－20%Co合金晶粒，但是原始粉体球磨时引入的螺型位错刃型位错和孪晶等缺陷是引起晶粒粗化的主要原因［13，14］，所以控制好球磨时间至关重要。

图6 光学金相图

3 结 论

1.WC粉末晶粒的均匀程度在球磨时间16 h最好，分布范围窄，烧结成合金后，球磨20 h的合金的平均晶粒度最小，组织均匀，性能较好。

2.通过控制适当的球磨时间，可提高硬质合金的硬度和强度，当球磨时间为20 h时，合金的强度可达到3 100 N／mm2。

3.通过调节工艺，真空烧结也可以提高合金的性能，低压烧结对粗颗粒WC为原料的合金的综合性能提高不明显。

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Effects of Process Conditions on Properties of WC－20%Co Cemented Carbide

WU Xiang，LIAO Jun，LIU Fang-zhou
（Zigong Cemented Carbide Corporation Limited，Zigong 643011，China）

WC－20%Co cemented carbideswere prepared by high－energy ballmilling and the technics of HIP sintering and vacuum sintering.At the same time，the effects ofmilling time and sintering process on alloy performance were studied bymeasuring cemented carbide performance and observingmetallurgical structure.The results indicate：Milling time has great influence on alloy performance and metallurgical structure.The hardness and the toughness of cemented carbide has been increased with choosing propermilling time.Vacuum sintering can enhance alloy combination properties by choosing proper sintering process and properties increase of alloyswith coarse grain startingWC powder is inconspicuous by low-pressure sintering.

WC－Co cemented carbides；milling time；low－pressure sintering；vacuum sintering

TG146.4＋11

：A

：1003－5540（2013）01－0044－03

2012－12－29

吴翔（1979－），男，工程师，在读硕士，主要从事硬质合金领域的研究、管理工作。