VC含量对WC-12%Co硬质合金性能的影响

韩小伟，夏小群

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，广东深圳518000；2.岭南师范学院机电工程学院，广东湛江524048）

材料工程

VC含量对WC-12%Co硬质合金性能的影响

韩小伟1，夏小群2

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，广东深圳518000；2.岭南师范学院机电工程学院，广东湛江524048）

VC晶粒长大抑制剂能有效抑制烧结过程中WC晶粒长大，从而获得高强度高硬度的超细硬质合金。采用传统粉末冶金制备了掺杂VC的WC-12%Co硬质合金材料，并研究不同VC含量（0.5%，1%，1.5%，2%）时对WC-12%Co硬质合金材料的性能的影响。通过密度测量、硬度测定、微观结构分析研究发现，添加0.5%VC时硬质合金材料的致密性最好，硬度最大，微观结构紧凑，材料内部缺陷少。

VC含量；WC-12%Co；硬质合金；性能

随着现代科技的发展，人们对硬质合金刀具性能的要求越来越高，想制备高韧性、高硬度的WC-Co硬质合金，最重要的是抑制WC晶粒在烧结过程中的长大。加入适当的晶粒长大抑制剂，如VC、Cr3C2、TaC、MoC、TiC和NbC等碳化物，可有效解决超细硬质合金在烧结过程中晶粒长大的问题[1]，并且，不同含量的同一种抑制剂对WC晶粒在烧结过程中的长大的效果是不同的[2]。本文主要通过实验来研究掺杂不同含量的VC对硬质合金材料性能的影响。通过制备出掺杂不同含量的VC的硬质合金试样，在密度测定、硬度测定和显微结构分析之后，得出VC与WCCo的最佳的配比，从而制备出高韧性、高硬度的WC-Co硬质合金材料。

1 实验过程

1.1 实验原料

原材料采用上海水田材料科技有限公司生产的WC粉（纯度为99.0%，平均粒度为1 μm），Co粉（纯度为99.9%，平均粒度为1 μm），VC粉（纯度为99.9%，平均粒度为0.8 μm）。

本实验以WC-12%Co为基体，分别添加质量分数为0%、0.5%、1%、1.5%、2%的VC抑制剂，配制成总重量为50 g的WC-Co-VC的硬质合金粉体。另外在每一份试样中加入3%（1.5g）的石蜡作为成型剂。试验中硬质合金的成分配比如表1所示。

表1 硬质合金的成分质量分配

1.2 试样制备工艺过程

在试样制备过程中，首先，用电子天平称取如表1所示的各组分粉体，并将石蜡和一定量的CCl4溶液一起加入含有钢珠的尼龙罐中，将装有不同试样的四个罐子对称放到全方位行星式球磨机中进行24 h湿法球磨，转速设置为200 r/min；其次，将球磨后的浆料通过120目过筛，筛除钢珠后将浆料放进温度为80℃的热风循环烘炉进行干燥，干燥后得到混合均匀的粉料；然后，再将干燥后的粉料经过120目过筛，筛出颗粒较细的混合粉体；接着，将筛选后的粉体用电子天平称量5个4 g的小样和1个25 g的大样，并将称好的大样的粉料和小样的粉料分别放置在30或11的模具配合油压千斤顶压制成型；最后，将压制成型的毛坯试样先放在管式气氛炉中进行预烧结，再将预烧结后的试样放进箱式气氛炉进行氮气烧结。预烧结和氮气烧结过程的温度变化情况分别如图1和图2所示。

图1 预烧结的温度曲线

图2 氮气烧结的温度曲线

试样制备的工艺流程如图3所示[3]。

图3 试样制备的流程图

2 不同配比的VC掺杂下硬质合金刀具的性能研究

为描述的方便，本文对于表1中五种不同配比的VC含量的硬质合金材料进行编号，并按VC含量从小到大分别编号为1、2、3、4.

2.1 密度的测定

致密性是硬质合金的一个重要性能指标。通过粉末冶金方法制备的硬质合金材料，都不同程度地存在孔隙。本文通过静水称量法测定硬质合金试样的密度来分析VC的掺杂量对硬质合金致密化行为影响[4]。

本文对每一种编号的材料都测定了五组试样的密度。通过求取每五组试样密度的平均值得到该种配比时硬质合金材料的平均密度。图4为不同配比的VC含量的硬质合金试样的平均密度对比图。

图4 不同的VC含量下试样的平均密度变化图

从图4中可以看出，掺杂0.5%的VC的硬质合金试样的平均密度最大，最大的密度为13.442 g/cm3.并且，随着VC含量的增加，硬质合金试样的密度有所下降，WC的平均晶粒尺寸和异常生长晶粒数量显著下降，孔隙越来越多，致密性越差。

2.2 硬度测定

对于每一种编号的材料中密度最大的试样，本文采用显微维氏硬度计进行硬度测量。并对每一种试样进行了6个不同位置的硬度测量，通过计算平均值得到了每一种试样的平均硬度。不同配比的试样的平均硬度的变化情况如图5所示。

图5 不同的VC含量下试样的平均硬度变化图

从图5可以看出，掺杂0.5%VC的硬质合金试样的平均硬度最高，平均硬度为HV30=2 207.70 MPa；掺杂2%VC的30#硬质合金试样的平均硬度最低，平均硬度为HV30=1 827.25 MPa.并且，随着掺杂VC的含量的升高，硬质合金试样的硬度有下降的趋势，但硬度基本保持在1 800~2 200 MPa之间。

2.3 微观结构分析

对于每一种编号的材料中密度最大的试样，本文采用连续变倍显微镜进行了材料微观结构观察[5]。调节连续变倍显微镜的放大倍数为45倍，测出的微观组织结构如图6至图9所示。

图6 掺杂0.5%VC的硬质合金试样微观图

图7 掺杂1%VC的硬质合金试样微观图

图8 掺杂1.5%VC的硬质合金试样微观图

图9 掺杂2%VC的硬质合金试样微观图

从图6可以看出，掺杂0.5%VC的硬质合金试样的表面不平整，表面较粗糙，但没有孔隙，没有裂纹。从图7可以看出，掺杂1%VC的硬质合金试样的表面有细小的裂纹，紧凑性相对掺杂0.5%VC的试样差，且颜色有所变化，那是局部氧化的体现。从图8可以看出，掺杂1.5%VC的硬质合金试样的表面有一条大的裂沟，气孔也比较多，但是试样没有氧化的现象。从图9可以看出，掺杂2%VC的硬质合金试样的表面结构较前几组疏松，并且存在较多气孔，紧密性差。

根据以上分析可知，掺杂0.5%VC的硬质合金试样比较致密，相对其它组的试样，其气孔量明显减少，材料内部缺陷少。

3 结束语

通过对不同配比VC的WC-12%Co硬质合金材料试样进行测定密度、硬度测定和微观组织观察，得出以下结论：

（1）添加0.5%VC时材料的密度最大，添加2% VC时材料的密度最小，并且随着添加VC含量的增加，硬质合金试样的密度呈下降趋势；

（2）添加0.5%VC时材料的硬度最高，达到HV30=2207.70 MPa，添加2%VC的硬质合金试样的硬度最低，并且随着添加VC含量的增加，硬质合金试样的硬度也呈变小的趋势；

（3）添加0.5%VC的硬质合金试样的微观结构比较紧凑，随着添加VC的含量的增加，硬质合金的表面愈加粗糙，孔隙裂纹愈加严重，微观结构紧凑性下降。

综上，添加0.5%VC的硬质合金的致密性最好、表面硬度最高，并且内部微观结构缺陷更少。

[1]吴其山.超细WC-Co硬质合金研究综述[J].中国钨业，2005，20（6）：36-37.

[2]李海艳，刘宁.VC对WC-6.5%Co硬质合金组织和性能的影响[J].硬质合金，2009，26（4）：206-208.

[3]张云鹏.印刷电路板用微型刀具制造技术和设备研究[D].西安：西北工业大学，2002：23-24.

[4]Sun L，Jia C，Cao R，Lin C.Effects of Cr3C2 additions on the densification，grain growth and properties of ultrafine WC-11%Co composites by spark plasma sintering[J].Interna tional Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2008，26（4）：357-361.

[5]朱流，郦剑，凌国平.超细WC-Co硬质合金及其磨损性能研究[J].材料热处理学报，2006，27（3）：112-115.

Effect of VC Content to Performance of WC-12%Co Cemented Carbide

HAN Xiao-wei1，XIA Xiao-qun2
（1.Production Optimization，China Oilfield Services Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000，China；2.Electrical and Mechanical School，Lingnan Normal University，Zhanjiang Guangdong 524048，China）

VC grain inhibitor can effectively restrain the grain growth of WC during the sintering process to obtainultra-fine cemented carbides with high strength and high hardness.The paper studied on the preparation of a kind of doping VC of WC-12%Co cemented carbide by traditional powder metallurgy.And then the paper focused on the effect of different content（0.5%，1%，1.5%，2%）of the VC to the properties of WC-12%Co cemented carbide.The density and hardness of the samples were measured to examine the properties.The scanning electron microscopy was used to examine the morphology and microstructure of the samples.The results show when the content of VC is 0.5%，the cemented carbide material has the biggest density and hardness，meanwhile the best comprehensive performance.

VC content；WC-12%Co；cemented carbide；performance

TG135.5

：A

：1672-545X（2017）01-0106-03

2016-10-05

广东省自然科学基金（编号：S2013010012107）

韩小伟（1980-），男，山西吕梁人，助理工程师，本科，研究方向：机械制造及材料性能研究。