粗晶WC-Co类硬质合金的工艺研究进展

谭 征

(中南大学粉末冶金研究院，湖南 长沙 410083)

硬质合金是由粘结金属与难熔金属通过粉末冶金的方法合成的复合材料，被广泛应用于凿岩工具、采掘工具、钻探工具、测量工具、冲压模具、高速高精度切削车刀、喷气发动机部件、金属陶瓷材料等领域。国内外为了让WC-Co类硬质合金满足制造业的发展需要，越来越关注粗晶粒WC-Co硬质合金，并对其生产及其性能方面进行了大量研究。

1 粗晶WC-Co类硬质合金性能的影响因素

对于粗晶WC-Co类硬质合金在使用过程中，服役环境有时候特别复杂，总的来说要求粗晶硬质合金满足高硬度、高耐磨、高韧性及耐腐蚀性等。而烧结制度、球磨工艺、配碳量、添加剂等都会影响粗晶硬质合金的微观结构及性能。目前，国内外已经对此进行了大量研究。

1.1 碳含量

碳含量是合金质量的生命线，合金的性能对其特别敏感，即使在正常相区范围内，他的微量变化也会引起合金的性能发生变化。周新华等［1］研究了碳含量对粗晶硬质合金的影响，结果表明:碳含量会显著影响粗晶硬质合金的金相组织，在一定范围内粗晶硬质合金的WC晶粒会随着碳含量的增加先增加，然后又降低。非化合碳随碳含量增加而出现石墨相，且越来越严重;一定范围内，随着碳含量的增加，硬质合金的硬度与耐磨性会降低，韧性与抗弯强度会得到提高，并且在碳含量增加到出现渗碳以后，抗弯强度及冲击韧性会显著降低。

龙曾成［2］对不同碳含量给合金的组织成分及综合性能带来的影响进行了重点研究。研究结果显示:碳含量的波动将会改变硬质合金的组织，碳含量偏低，合金组织脱碳形成相;碳含量偏高，合金会因为游离碳的增加而形成石墨相。这种组织成分的变化使得合金的密度发生变化，随着碳含量的增加，会相应的降低合金密度;合金中的碳含量也会显著影响合金的晶粒度，随着碳含量的增加，合金的晶粒度增大;合金的抗弯强度与冲击韧性在某个含碳量会出现峰值。他指出合金试样组织必须保持在正常的WC+T两相区，才能获得良好硬度、抗弯强度和冲击韧性，脱碳、渗碳都将对合金的综合力学性能造成不利影响。

1.2 烧结工艺

粉末烧结过程中，温度和时间的控制对产品性能有着特别重要的影响。莫盛秋等［3］在研究真空烧结低钴粗晶硬质合金及其性能时，重点研究了真空烧结温度、时间和真空度等对烧结成的粗晶硬质合金物理机械性能的影响。烧结温度对合金性能的影响见表1。随着烧结温度的升高，合金密度有增加的趋势，但在不同温度区间内，密度的增加速度显著不一样。当烧结温度增加到一定值的时候，合金的密度基本不变;在一定范围内延长烧结保温时间有利于合金性能的改善，但保温时间过长，合金性能不仅没有提高，甚至有所下降，见表2。

在一定真空度范围内(100～200 MPa)，烧结合金的性能变化不大，若真空度过低，合金的密度显著升高，硬度与抗弯强度会明显降低。

张正富等［4］发现烧结工艺是影响冲击韧性的主要因素，在合适的烧结工艺下，合金显微组织中无明显的气孔，并且钴粘结相分布相对均匀。适当提高烧结温度有利于改善合金的显微组织结构，如合金的气孔等缺陷会减少，钴相也会分布更均匀，WC晶粒会发育的更完整，能提高合金的冲击韧性和硬度［5］。

表1 烧结温度对合金性能的影响

表2 烧结保温时间对合金性能的影响

1.3 球磨工艺

球磨工艺的选择对合金性能的影响也起着至关重要的影响。近年来，针对粗晶粒硬质合金生产过程中球磨工艺的研究越来越多。

周新华等［6］采用费氏粒度为25 μm的WC为原料，研究了不同球磨时间对粗晶硬质合金性能的影响。研究表明:球磨时间对密度和钴磁影响不大，随着球磨时间增加，密度和钴磁变化不明显。而磁力、硬度和抗弯强度会随着球磨时间增加而增加，但增加幅度越来越小;不同球磨时间对合金试样的金相组织也会产生影响。球磨22 h的WC试样，晶型完整、均匀性最好，球磨16，18，20 h的试样金相组织中粗大晶粒未磨碎，晶界不明显，超过24 h的试样金相组织中细小晶粒和粗大晶粒明显增多，结构不均匀的趋势也比较明显。在一定球磨时间范围内，压痕裂纹长度会随着球磨时间的增加先减少后增加。

张正富［4］18，郭圣达［5］72等分析研究了粗晶硬质合金的硬度和强度影响因素，发现球磨时间是影响合金硬度非常重要的因素，但其影响程度较钴含量对合金硬度的影响程度低。球磨球料比与烧结温度及粘结相成分交互作用对合金强度有着决定性影响。

由此知，球磨工艺对粗晶粒硬质合金性能以及微观组织结构有着显著的影响。通过适当的控制球磨工艺，可以得到同时具有高硬度与高韧性的粗晶硬质合金。

1.4 添加剂

由于添加剂在WC-Co硬质合金中可以起到调整WC晶粒度及改善合金耐腐蚀能力的作用，添加剂对粗晶硬质合金微观组织结构与性能的研究是质量改进与新产品开发的基础，目前国内外开始对此进行了许多研究。近年来，为了改粗晶硬质合金的微观组织及使用性能，开始有研究往合金中添加微量化学元素，如 Na、Li、P、Cr、V、Re 等。

张立等［7］研究了 Cr、V、RE 添加剂对特粗晶与超粗晶硬质合金微观组织与性能的影响。他们利用特粗晶与超粗晶硬质合金粗大粘结相平均自由程以及粗大WC原料粉末特性，研究单一Cr、V以及Cr-Re添加剂对特粗晶与超粗晶WC-Co合金微观组织结构、物理力学性能以及合金中Co粘结相纳米压痕力学性能的影响。并指出Cr的加入可使合金保持微观组织结构均匀、WC晶粒粗大以及高韧性的特性，并且可以提高Co粘结相的纳米压痕硬度;V的加入使合金中WC晶粒大小出现明显两极分化，并显著降低其韧性;微量混合稀土对V，Cr在合金中的作用行为影响不明显;合金的矫顽磁力、硬度以及Co粘结相弹性模量对合金成分变化不敏感。

1.5 热处理

对于粗晶WC-Co类硬质合金，由于Co能够发生固态相变，因此在其生产过程中，可以通过热处理来改变硬质合金粘结相成分、结构及分布状态，从而强化合金整体，以提高粗晶硬质合金的整体性能。

陈鑫等［8］研究了热处理对粗晶硬质合金力学性能的影响，他们以WC-Co硬质合金为研究对象，通过纳米压痕、大载荷维氏硬度测试等分析手段，研究了粗晶硬质合金在热处理过程中粘结相力学性能以及合金整体力学性能的变化。发现热处理对粗晶WC-Co硬质合金粘结相的硬度有提高作用，淬火对合金粘结相硬度的提高作用较大，而随后的深冷处理与回火处理对合金粘结相的硬度影响不大;热处理能够让硬质合金的总体硬度提高，并且淬火的作用最显著，而深冷处理与回火对合金总体硬度改善作用不明显;合金的Palmqvist断裂韧性在热处理之后也有明显的改善。

2 结语

粗晶粒WC-Co类硬质合金的应用领域越来越广，需求量也在飞速增加，具有特别广阔的市场前景。对优质粗晶WC粉的制备以及粗晶WC-Co类硬质合金的微观组织结构与性能影响因素的研究已经成为世界范围的研究热点。

国内外已经针对粗晶WC-Co类硬质合金的微观结构及性能的影响因素进行了大量研究，并取得了一定的研究成果。在粗晶WC-Co类硬质合金的实际生产过程中，碳含量、烧结工艺、球磨工艺、合金元素、热处理等都会在一定程度上影响合金的微观结构和性能。其研究发现碳含量会影响合金的微观组织结构，也会影响合金的硬度、耐磨性、韧性及抗弯强度等;钴含量、球磨时间是影响合金硬度的主要因素;烧结工艺、球磨工艺和粘结相成分配比是影响合金强度的主要因素;热处理可以改变硬质合金粘结相成分、结构以及分布状态而使合金整体强化，提高硬质合金整体性能等。

目前国内外对粗晶WC-Co类硬质合金各方面所进行的研究，虽然取得了一些成就，但是为了更好的满足机械采掘设备和中大孔径钻具用矿用硬质合金、凿岩工具、采掘工具、钻探工具等领域对粗晶WC-Co类硬质合金的需求，还需要更努力的对粗晶WC-Co类硬质合金进行更多的研究。

［1］周新华，王力民，赵声志，等.碳含量对粗晶硬质合金性能的影响［J］.硬质合金，2009，26(20):82 －86.

［2］龙曾成.YG6粗晶硬质合金的制备及其工艺与性能研究［D］.中南大学粉末冶金所，2012.

［3］莫盛秋，程继贵，王华林.真空烧结低钴粗晶硬质合金及其性能的研究［J］.合肥工业大学学报，2000，23(2):294 －297.

［4］张正富，彭金辉.成分和工艺对粗晶硬质合金硬度和韧性的影响［J］.武汉理工大学学报.2010，32(24):15－18.

［5］郭圣达，羊建高，黄海平，等.粗晶硬质合金硬度和强度影响因素的分析研究［J］.稀有金属和硬质合金.2012，40(4):56－58.

［6］周新华，王力民.球磨时间对粗晶硬质合金性能的影响［J］.硬质合金.2008，25(1):23－27.

［7］张立，陈鑫.Cr、V、RE添加剂对特粗晶与超粗晶硬质合金微观组织与性能的影响［J］.中国有色金属学报，2012，22(9):2621－2625.

［8］陈鑫，张立.热处理对粗晶硬质合金力学性能的影响［J］.稀有金属与硬质合金，2012，40(2):45－47.