超细晶WC-Co硬质合金制备工艺研究

2019-03-04杨树忠王玉香肖颖奕

世界有色金属 2019年22期

杨树忠，王玉香，肖颖奕，张帆，许洋

（赣州有色冶金研究所，江西赣州 341000）

硬质合金素有“工业牙齿”的美誉，是一类以碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）为硬质相，以粘结金属（Co、Ni、Fe等）为粘结相，通过粉末冶金工艺制备的一种复合材料[1，2]。根据Sandivik公司关于硬质合金分类的标准，WC晶粒度在0.2μm～0.5μm之间的为超细晶硬质合金[3，4]。超细晶硬质合金作为高性能硬质合金的代表，具有高强度、高硬度、高耐磨性等特点[5，6]，广泛应用于切削加工、电子工业等领域[7]。尤其加工电路板用的微型钻头，由于直径很小，只能采用超细晶硬质合金来制造[8]。

相较于其他粒级的硬质合金，超细晶硬质合金在实际生产中更容易受设备和工艺因素的影响。超细WC粉由于比表面积较大，表面活性高，容易发生团聚和氧化，在实际的制备过程中产生聚晶、夹粗、微孔隙等缺陷[7-9]，大大降低超细晶硬质合金的综合性能。在混料过程中添加Cr3C2、VC、TaC、NbC、Mo2C等碳化物作为晶粒长大抑制剂可以在一定程度上解决超细晶硬质合金夹粗的问题。

本文以超细WC粉、Co粉为主要原料，在混料过程中添加晶粒长大抑制剂，于脱蜡-低压烧结一体炉中完成超细晶硬质合金的烧结，系统研究了球磨时间对超细晶WC-Co硬质合金的组织结构与性能的影响。

1 实验

1.1 实验过程

实验所采用的原料规格如下表1所示。将超细WC粉、Co粉、Cr3C2、VC粉末按照表2实验设计方案的比例配料，在滚筒球磨机中进行湿磨混料。混料工艺为球料比5:1，以酒精为湿磨介质，酒精添加量为380mL/kg，球磨时间7 h。将混合料浆置于真空干燥箱中，于70℃～80℃抽真空干燥5h～6h。干燥后的混合料经40目筛网擦筛后，在150MPa压力下压制成抗弯强度测试标准B试样压坯（成功尺寸为6.5mm×5.25mm×20mm，尺寸误差±0.25mm）。压坯在COD 733RL-64bar型低压烧结炉中进行脱蜡、烧结。烧结温度为1410℃，保温时间60 min，保压压力5 MPa。

表1 实验原料性能

表2 实验设计方案

1.2 性能检测

图1 实验原料形貌

将烧结后的硬质合金试样擦拭干净（或磨抛）后进行检测。利用阿基米德原理，在XS204型密度计上测量硬质合金试样的密度；采用MCOM-3型钴磁仪上测试硬质合金钴磁；采用HC YSK-1型矫顽磁力计测试合金矫顽磁力；在CMT5105万能试验机上测试硬质合金三点抗弯强度，加载速率为4mm/min；采用Durascan全自动维氏硬度计测试硬质合金硬度，加载力为3kg，保压时间为10s～15s；采用10wt.%的铁氰化钾和10wt.%的氢氧化钠体积比1:1混合溶液对磨抛后的样品表面进行腐蚀，腐蚀时间2min～3 min，在OLYMPUS SZX16金相显微镜或FEI Inspect F50场发射扫描电镜上观察硬质合金显微组织，并用SEMEDS能谱分析系统进行元素的定性与定量分析。

2 结果与讨论

2.1 球磨时间对物理性能的影响

图2 不同球磨时间的硬质合金物理性能

如图2所示为不同球磨时间的密度、钴磁、矫顽磁力变化曲线。从图中可以看出，随着球磨时间的延长，合金密度呈略微上升趋势，总体变化不大，钴磁呈逐渐降低的趋势，而矫顽磁力则呈逐渐升高的趋势。这是因为，随着球磨时间的延长，超细WC粉与Co粉等原料的氧含量会逐渐变高，增加的氧含量在合金烧结过程中会消耗合金中的碳，降低合金中的总碳，结果表现为合金钴磁逐渐降低。而球磨时间的延长，也会使得WC粉末不断被破碎，最终硬质合金烧结后的WC晶粒度不断降低，表现为硬质合金矫顽磁力逐渐升高；随着球磨时间的延长，WC粉末破碎效果逐渐减弱，矫顽磁力的增长趋势也逐渐变弱。