超细晶粒硬质合金的力学性能与微观结构

张晶，商义叶，潘永智

(1.济南职业学院 机械制造系，山东济南 250103;2.济南大学机械工程学院，山东济南 250022)

随着航空工业的发展，航空铝合金以其高强度、低密度、切削性能优越的特点，广泛应用于飞机结构件的制造中。飞机结构件多为大型薄壁件，金属切除量大，表面品质和尺寸精度要求高，通常采用整体硬质合金刀具进行高速铣削加工。高速铣削加工是断续切削加工过程，刀具承受很高的机械循环载荷和热交变载荷，在热力耦合不均匀强应力场作用下容易产生粘结-扩散磨损和疲劳破损，因此要求刀具材料具有优良的综合力学性能，即高的硬度、抗弯强度和断裂韧性。随着棒料成型-烧结工艺的发展，硬质合金晶粒不断细化，由细晶粒向亚微米晶粒乃至超细晶粒发展，整体硬质合金刀具的微观结构和力学性能均得到很大改善［1］。研究表明，高速切削铝合金时的切削刃温度300℃500℃，产生的热载荷和温度恰好处在超细晶粒硬质合金有利的特性范围内，允许采用更锋利的切削刃、更高的切削速度和更大的进给速度［2］。目前，对刀具材料制备和刀具切削性能的研究往往在各自领域内孤立地进行，很少考虑刀具材料和加工对象的力学、物理和化学性能之间的匹配问题［3］。

为此，对用于航空铝合金高速铣削的10种硬质合金刀具进行了化学成分、力学性能检测和分析，对比研究了硬质合金的相组成、微观组织结构及结构缺陷对力学性能的影响，为高速数控刀具材料研制和刀具切削性能研究提供了试验和理论依据。

1 实验

对国内外用于航空铝合金高速铣削加工的10种硬质合金刀具材料(试样S1-S10)进行了化学成分和力学性能的检测。通常认为WC晶粒尺寸≦0.5 μm的硬质合金为超细晶粒硬质合金;WC晶粒尺寸在0.51.0 μm，为亚微米晶粒硬质合金。通过X射线衍射(XRD)分析和X射线荧光(XRF)分析，对它们的化学成分及含量进行了检测，成分和编号列于表1。试样S1-S10来源于加工航空铝合金用的整体硬质合金刀具或棒料。经线切割、研磨后，制成尺寸为d3.25 mm×38 mm的标准C试样，用三点弯曲法测定材料的抗弯强度，跨距为14.5 mm，加载速率为0.5 mm/min。用Vickers硬度计测定了材料的维氏硬度HV30。用压痕法测量了材料的断裂韧性。分别用Leica-DM金相显微镜、QHS-2005C型体视显微镜和HITACHIS570型扫描电镜分析了材料的金相形貌、断口和微观组织结构。进行金相和SEM观察前，合金试样分别用20vol%(体积百分含量)NaOH和20vol%K3Fe(CN)6混合水溶液，FeCl3与浓盐酸的饱和溶液进行腐蚀处理后，用乙醇清洗。

表1 试样的化学成分及WC晶粒度

2 结果和讨论

2.1 化学成分对力学性能的影响

用X射线衍射仪(XRD)对硬质合金试样S1S10的化学成分进行了定性分析，结果表明只有WC相和Co相的衍射峰，没有出现含量较少的抑制剂的衍射峰。进一步用3080E2型X射线荧光(XRF)仪对试样的化学成分进行了定量分析，结果显示10种硬质合金试样均为K类(YG类)硬质合金，硬质相为WC，粘结相为Co，抑制剂为Cr3C2和 VC，还含有微量 Mo，见表 1。

a)Co含量的影响

对于亚微米和超细硬质合金，当Co含量增加时，硬度降低，而断裂韧性和抗弯强度都呈上升趋势。当Co含量从9.5wt%上升到12wt%时，亚微米硬质合金的硬度(HV30)从1 500 ×9.8 N/mm2下降到1 350 ×9.8 N/mm2，而断裂韧性和抗弯强度分别从7.6 MPa·m1/2，3 870 MPa上升到9.2 MPa·m1/2，4 200 MPa。当 Co 含 量 在 11.5wt% -12.5wt%时，超细硬质合金的硬度(HV30)＞1 460×9.8 N/mm2，抗弯强度＞4 300 MPa，断裂韧性达10 MPa·m1/2;进一步提高Co含量到13.5wt%，合金获得了11.7 MPa·m1/2的高韧性和 4 500 MPa的高强度，但硬度迅速下降至1 350 ×9.8 N/mm2，见图1 图3。

图1 Co含量与硬质合金硬度的关系

Co含量及其分布不但影响控碳量，晶粒长大和致密度等烧结过程参数，还对γ相平均自由程和WC晶粒邻接度等微观结构参数影响，因此Co含量并非越高越好，而是存在一个平衡硬度和强度、韧性的最优值。

b)抑制剂的影响

加工航空铝合金使用的超细硬质合金刀具材料Co含量较高，晶粒很细，烧结过程中WC晶粒通过溶解-析出机制迅速长大。抑制晶粒长大最有效的方法就是添加抑制剂。由XRF分析可知，试样S1S10中均添加了Cr3C2和VC抑制剂，另外还有微量的Mo。烧结时VC和Cr3C2完全溶解于粘结相，冷却时VC以纳米(WV)C颗粒析出，Cr3C2则固溶在粘结相中并在WC/Co界面偏聚。VC和Cr3C2的析出偏聚阻碍了小粒子WC晶粒通过溶解-析出机制在大粒子WC晶粒上转移，因此抑制了晶粒长大［4］。添加VC细化WC晶粒效果优于Cr3C2，，硬质合金的硬度更高;但添加Cr3C2使W在γ相中的溶解度明显提高，产生固溶强化作用，使合金有更高的韧性和强度。超细硬质合金通常同时添加这两种抑制剂。

由表1可知，Cr3C2和 VC抑制剂添加量较小，＜1.0wt%。这是因为抑制剂含量过高，晶粒得到细化的同时降低了WC在γ相中的溶解度和液相量，抑制了致密化过程，留下残留孔隙。添加微量Mo目的是改善硬质相和粘结相的润湿性，细化晶粒［5］。

2.2 微观组织结构

图4是试样S1-S9抛光表面的SEM照片。图中WC硬质相呈亮白色，暗黑色的相是Co粘结相和孔隙。WC晶粒呈现棱柱状，连贯的WC/WC边界处呈现一定的位向关系。超细晶粒硬质合金(S3，S7，S9)的WC邻接度高于亚微米硬质合金(S1，S2，S5，S6)。

图4 试样S1S9抛光表面的扫描电镜照片

a)晶粒度，平均自由程和WC邻接度

由修正的Hall-Petch公式［6］，硬质合金的硬度H，抗弯强度σf与晶粒度LWC的关系为

式中:Kσ，KH和a，b为常数(a，b＞0)

由式(1)，式(2)可见，当晶粒尺寸减小时，硬质合金的硬度和抗弯强度均提高。超细硬质合金的硬度、韧性和强度都要优于亚微米硬质合金。

硬质合金中γ相的平均自由程λ是既代表合金的显微结构又反映合金成分的综合特征参量。λ与WC晶粒度LWC和γ相的体积分数fγ存在如下关系［7］

当晶粒度减小时，平均自由程减小，WC晶粒邻接度提高，依靠WC-WC晶界上钴膜的粘结WC形成刚性骨架［8］，承受外加载荷引起的合金变形，硬度明显提高;另一方面增加fγ含量，使平均自由程λ增大、WC邻接度降低，有利于在WC骨架和Co粘结相之间形成塑性变形缓冲区，形变的约束得到松弛，从而提高了硬质合金的断裂韧性和抗弯强度。因此在保持平均自由程在某一最佳值下，通过细化晶粒，适当提高Co含量及其均匀性是改善硬质合金综合力学性能的有效途径。

b)微观结构缺陷

超细晶粒合金对其结构缺陷有相当的敏感性，粗大晶粒、Co池、孔隙都会形成初始裂纹源［9］，在高速铣削过程中刀具材料受循环机械-热载荷作用，微裂纹失稳扩展，最终导致崩刃和破损，使刀具失效。

试样S8的SEM照片显示了Co池(Co聚集)和晶粒异常长大，见图4。超细粉末在球磨过程中硬质相与粘结相分散不均匀以及烧结过程中的温度场气氛浓度存在差异都会形成 Co池。试样 S10的 WC平均晶粒度为0.6 μm，最大晶粒达10 μm，晶粒异常长大导致了低硬度(1 355×9.8 N/mm2)，低韧性和强度(8.3 MPa·m1/2，3 700 MPa)，见图5(a)。进一步对S10进行体视显微镜观察，发现合金断口呈现梅花状或点状的“黑絮”组织，即渗碳相(石墨相)。当碳含量超过理论含量后，多余的游离碳在低于共晶点的温度下与WC和γ相产生三元共熔反应，合金组织为WC+γ+C三相状态，导致硬质合金烧结液相点的降低，相当于增加了液相量并延长了液相量保持时间，WC晶粒的长大与液相量及其存在时间有关，WC溶解析出量越大，WC晶粒越容易长大［10］。

图5 试样S10的结构缺陷

结论

1)相组成对超细硬质合金的力学性能有较大影响。随着Co含量增加，硬度增加，断裂韧性和抗弯强度降低。当WC晶粒度为0.4 μm，Co含量为12wt%时，材料综合力学性能最佳。抑制剂(＜1wt%)VC和Cr3C2起到了抑制晶粒长大和固溶强化的效果。

2)Co含量相同，超细硬质合金的硬度、强度和韧性明显优于亚微米硬质合金。理论分析表明，细化晶粒，适当提高Co含量是改善硬质合金综合力学性能的有效途径。

3)超细硬质合金的力学性能对其结构缺陷相当敏感。晶粒分布不均匀、Co池及渗碳等结构缺陷导致材料力学性能显著降低。

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