抑制剂对超细晶硬质合金性能影响概述

徐 伟

（江钨硬质合金有限公司，江西 靖安 330699）

超细晶和纳米晶硬质合金由于具有高硬度和高强度一直是业界发展的热点方向之一。但是在制造超细硬质合金的过程中，由于所使用的WC粉末的活性比一般的WC粉末活性高得多，因此在烧结过程中晶粒会出现异常长大的现象，导致组织不均匀，对产品的性能产生影响[1，2]。使用抑制剂是制备超细硬质合金的重要途径之一。本文将介绍抑制剂的机理、种类及抑制剂对超细晶硬质合金性能的影响。

1 抑制剂的主要作用和抑制机理

添加抑制剂的主要作用有四个方面：①抑制碳化钨晶粒的长大，使合金对烧结温度和时间的敏感性降低；②扩大YG合金二相区，降低碳含量变化对合金性能的影响；③改变了相成分，进而改善了合金性能；④提高合金的耐热性和抗月牙洼磨损能力。抑制剂的作用机理目前被认为有以下3种：①优先溶解于Co相中，同时被包覆在于WC颗粒表面，降低WC的表面能，从而降低了WC在液相中的溶解度；②沿着WC/WC界面偏析，阻碍WC界面的迁移，阻碍了WC颗粒发生聚集长大；③抑制剂的加入能有效的降低WC在合金中的溶解度。

2 抑制剂种类

抑制剂的种类有 ：VC，Cr3C2，TaC，NbC，TiC，ZrC，Mo2C，HfC，(TaC、Nb）C。常用的抑制剂有Cr3C2，VC，TaC。最常用最典型的抑制剂是TaC，抑制效果最好是VC，这是因为VC在Co中具有较高的溶解性和弥散能力，因而抑制剂在早期就起到了抑制碳化钨晶粒长大的作用；微量Mo2C和Cr3C2的添加几乎没有抑制WC晶粒长大的作用；在相同的添加剂量条件下。ZrC和HfC的抑制WC晶粒长大的效果几乎相等[1]。

3 不同抑制剂对超细晶硬质合金性能的影响

下面将介绍几种常用抑制剂对超细晶硬质合金性能的影响。

3.1 Cr3C2对超细晶硬质合金性能的影响

张雪辉[3]等研究了Cr3C2的添加对WC-6%Co硬质合金性能的影响。硬度和断裂韧性会随着添加量的增加出现先增大后下降的趋势。当合金的最佳性能出现在Cr3C2添加量为0.45%时，此时硬度为1933 HV，断裂韧性达12.5MPa.m1/2。在WC-10Co合金的研究中同样出现了类似的变化趋势[4]。

抗弯强度方面孙文文[5]对WC-8%Co-0.5%(VC/Cr3C2)硬质合金研究认为当抑制剂Cr3C2含量从0增加到0.1%时，合金的抗弯强度得到了一定程度的提高，但继续增加Cr3C2含量，合金的抗弯强度出现了明显的下降。当添加量为0.1%C时，抗弯强度达到峰值为2450 MPa。由于WC晶粒的非均匀长大现象随着Cr3C2的加入得到了很好的控制，从而使合金的晶粒更细更均匀。晶粒尺寸越细小越均匀，合金强度和硬度就越高，但是当抑制剂的添加量过高时，从而形成一种复式碳化物脆性相，该相会减弱粘结相Co与碳化物的结合强度，致使合金致密度下降，最终导致合金的硬度值和强度值下降。

3.2 VC对超细晶硬质合金性能的影响

合金的硬度会随着VC添加量的增加先增大后减小，加入VC优先溶解于Co相中，从而使WC晶粒的溶解～析出过程受到了阻碍，从而晶粒得到细化。与此同时随着VC能够增大边界能从而降低二维成核的能量，缓解了形核的速率，阻止WC晶粒的长大。在钴含量不变的情况下随着VC的加入，强化晶界和相界，细化晶粒，从而导致整个合金硬度升高[6]合金的抗弯强度同样会随着VC含量的增加先增大后减小。随着VC的加入，晶粒得到细化，合金强度增加，同时也会增加组织的缺陷，如孔隙等。这些会导致合金性能的恶化，进而使合金的强韧性显著下降。当VC添加量过多时，会生成大尺寸(W，V)C的复式碳化物相，从而导致了所生产的合金强度低。

刘雪梅[7]等采用SPS烧结制备的不同VC含量硬质合金块体材料样品。

当VC的添加量小于5.0%时，合金的相对密度均大于97%，随着VC添加量的增加，合金硬度明显的增加，断裂韧性下降。韩小伟[8]等认为添加0.5%的VC对W-Co类硬质合金的致密性最好、硬度最高，内部微观结构缺陷更少综合性能最好。李海艳[9]等认为当VC添加量0.5%时，合金的硬度值可达到93.0 HRA，其综合性能最好。

3.3 TaC对超细晶硬质合金性能的影响

随着TaC的加入提高了合金的红硬性、耐磨性能、抗氧化性能、高温强度、冲击韧性、抗热震性。Ta可以通过影响界面能从而使合金冷却时先形成的骨架强度更高，因此添加TaC是提高合金质量的有效途径。

TaC的抑制机理是球磨时吸附在WC晶体表面，使一部分的WC最终被TaC单分子包覆，这样可以防止相邻的晶体一起长大，从而受到抑制。与此同时，TaC可以优先溶解到在液态钴相中，一定程度上阻碍了溶解-析出机制，从而使晶粒得到细化及固溶强化，受到这一现象的影响，强度值和硬度值上升。

但是当TaC的添加量超过了在Co相中的饱和固溶度，过量的Ta原子会在WC晶界处形核析出，而液相中邻近的Ta原子则会迅速迁移、聚集在形核点处并与W、C原子一同形成(Ta，W)C相析出，这将危害合金的强韧性，导致抗弯强度降低。当TaC添加质量分数低于0.5%时，TaC主要溶解在Co相中，起到固溶强化和细晶强化作用[10]。同时晶粒异常长大现象的抑制作用较为明显，细化后的WC晶粒尺寸约为0.5μm，硬度为HV30=21.27GPa，比没有抑制剂的试样增加约8.98%[11]。

4 结语

由于各种抑制剂的作用机理及各个阶段抑制效果的不同，且抑制剂都有各自的优点与不足，在实际的应用中通常使用两种及两种以上的抑制剂组合使用，以实现最佳的抑制剂效果。