Co粉粒度对中、粗硬质合金性能的影响

王明胜

(厦门金鹭特种合金有限公司，福建 厦门361006)

0 引言

中、粗晶硬质合金作为一种工具材料，在断裂韧性、抗热疲劳性能和高温硬度等方面具有优异性能，已被广泛应用于地矿工具、石油钻采、冲压模具、高温高压合成部件等领域[1，2，3]。 Co 作为目前硬质合金最佳的粘结剂，其形貌、Fsss粒度不仅对硬质合金的生产工艺造成影响，而且对硬质合金的性能也有较大的影响。汪中玮等在研究Co粉形貌对硬质合金性能的报道中表明，与枝状Co粉相比，类球状Co粉能够更均匀地分布于硬质相之间，减少Co相分布不均匀而产生的Co池和微孔隙等缺陷，提高合金抗弯强度等性能[4]。Co粉粒度对超细硬质合金性能的影响已经有比较多的报道。吴志坚在研究Co粉粒度对超细晶硬质合金性能影响的文章中指出：不同粒度的Co粉对超细硬质合金的压制性能、合金性能及金相有一定影响，其中1.0-1.5 μm粒度Co粉对应的硬质合金性能最佳[5]；张卫兵在WC、Co质量对超细硬质合金性能影响的研究一文中认为：Co粉粒度小于1.3μm时，合金的性能最优[6]。但是，Co粒度对中、粗硬质合金性能影响的研究目前还鲜有报道。本文选取四种不同粒度的Co粉，两种不同粒度的WC粉，探究Co粉粒度对中、粗硬质合金的压制性能、组织结构及合金性能的影响，以期为实际生产甄选出最佳Co粉粒度，为生产提供理论指导。

1 实验方法与过程

本文选取0.88 μm、1.14 μm、1.86 μm、2.68 μm四种不同Fsss粒度的类球状Co粉 （如图1所示），并选用Fsss粒度为3.02 μm 与10.1 μm的WC粉，分别按表1所示成份配料，在相同条件下进行试验。混合料在1.5 L硬质合金球磨罐中球磨 30 h，卸料、干燥、过筛、压制成 20×15×8 mm的压坯块，并在低压炉中烧结。

图1 不同粒度Co粉的电镜照片(×6k)

利用Genesisxm2型能谱色散X射线能谱仪检测Co粉在压坯中的分布，探究不同粒度Co粉对压坯中Co分布的影响；测量、计算合金的收缩率，分析不同粒度Co粉对压制性能的影响；合金方块经过抛光处理后，使用Imager.A2M型金相显微镜观察合金中Co相分布及孔隙的情况，探讨Co粉粒度对中、粗硬质合金中Co相分布等缺陷的影响；借助Hatachi日立S3700型扫描电子显微镜表征合金晶粒形貌，分析不同Co粉粒度对中、粗合金微组织结构的影响；使用ZDHC40型矫顽磁力自动测量仪测量合金的矫顽磁力（HC）；使用韦氏硬度计(HVS-1000)测量合金的韦氏硬度（HV30）；使用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的CBT305电子万能试验机检测抗弯强度，JXYB305C型拉伸试验机短杆法检测断裂韧性（K1C）。研究不同Co粉粒度对中、粗硬质合金物理性能的影响。

2 实验结果与讨论

2.1 Co粉粒度对压坯中Co分布的影响

压坯中Co颗粒的结构与分布如图2所示，由图2看到，对于中粒度牌号，Co粉粒度在0.8-1.5 μm时，Co在压坯中的分布较均匀，而当Co粉粒径超过1.5 μm后，压坯中Co的分布出现明显不均匀现象。原因分析如下：这是因为当Co粉粒度接近或大于WC的粒度（球磨后）时，球磨过程中主要通过挤压、搅拌、混合等相互作用，较少发生切割、镶嵌等减小Co粉粒度的行为，湿磨过程中Co粉由圆形颗粒变形为扁平的页片状 （二维图像看到的是条形或片形），Co的二维线性直径变大，出现超过10μm的Co片。

表1 实验用原料粒度及成份配比

图2 采用不同粒度Co粉制备的中、粗粒度牌号压坯中Co相分布(绿色)

与中粒度牌号相比，粗粒度牌号压坯中的Co分布规律略微不同。当Co粉粒度在1.0-2.0之间时，Co在压坯中的分布较均匀，当钴粉粒度小于1.0 μm或大于2.0 μm时，压坯中Co的分布出现团聚、不均匀现象。原因分析如下：当Co粉粒度小于1.0 μm时，Co粉与WC粉粒度差异较大，在球磨过程中，细颗粒的Co粉易出现团聚、偏析的现象，反而不利于湿磨过程中Co粉的分散。而当Co粉粒度大于2.0 μm后压坯中Co分布也变得不均匀，与中粒度牌号的原因类似。

2.2 Co粉粒度对收缩率的影响

各混合料在规定的时间内完成湿磨，并对混合料干燥后进行压制、烧结，所测合金的收缩率（压制方向）如图3所示。

图3 Co粉粒度对中粗硬质合金收缩率的影响

图3(a)中，同样压制压力的情况下，中粒度合金的收缩率随Co粉粒度的增加而减小，其中采用0.88 μm和1.14 μm的样品收缩率基本一致。图3(b)中，同样压制压力的情况下，粗粒度合金的收缩率随Co粉粒度的变化规律和中粒度基本一致，其中采用0.88μm和1.14μm的样品收缩率比较接近，采用1.14 μm的Co的样品收缩率略大，应该是制样过程吸氧量及检测误差所致。

分析原因如下：Co粉在压坯中的分布及大小直接影响着合金收缩率的大小。一方面，由于Co粉越细，其氧含量越高，压坯的压制压力相应也越大[7]；另一方面，Co粉越粗，比表面积越小，松比和振实密度越大，球磨干燥后混合料的松比也越大，在同样压制压力的情况下，压制过程中压力衰减较小，压坯密度较大，烧结后收缩率越小。

2.3 Co粉粒度对中、粗合金显微结构的影响

2.3.1 Co粉粒度对中、粗硬质合金中Co相分布的影响

图4为采用不同粒度Co粉制备的中、粗粒度合金的金相照片。由图4可得，经过烧结过程中WC骨架的收缩和Co相的扩散，合金中的Co相分布比压坯中更加均匀，但整体规律和压坯中Co 的分布基本一致。 从图 4 中的（4）、（5）、（8）来看，压坯中Co分布较差时，合金中Co相分布也相对略差。

图4 采用不同粒度Co粉制备的中、粗粒度合金金相照片（×1000倍）

2.3.2 Co粉粒度对中、粗硬质合金晶粒形貌的影响

图5为采用不同粒度Co粉制备的中、粗粒度硬质合金的电镜照片。由图5可得，WC原料相同的硬质合金的晶粒形状相似，棱角较分明，呈较规则的多边形状，不同粒度的Co粉对合金的晶粒形貌基本无影响。

图6为各样品的WC晶粒分布图。由图6（a）可知，对于中粒度合金，合金平均晶粒度随Co粉粒度先减小后增加，当Co粉粒度为1.14 μm时，合金平均晶粒度最小。但当Co粉粒度超过1.5 μm时，合金中出现较多大于6 μm晶粒，粗大WC晶粒出现的概率增加。分析原因如下：当Co粉小于1 μm时，Co粉太细，Co相的表面能较大，烧结过程中出现液相的时间较早，在同样的烧结工艺下，增加了液相量和液相烧结时间，加剧了WC的溶解、析出、再结晶，促进WC晶粒长大；当Co粉粒度超过1.5μm后，由于压坯中Co相分布明显不均匀，一方面增加了WC的临界度，加剧了WC之间的合并，增大了WC晶粒，另一个方面增加了局部WC的溶解、析出再结晶的程度，导致个别晶粒的异常长大，出现较多大于6μm的晶粒，且晶粒异常长大的概率较大。

图5 采用不同粒度Co粉制备的中、粗粒度合金的WC晶粒形貌

图6 不同Co粉粒度对中、粗硬质合金晶粒大小及分布的影响

由图6（b）可知，对于粗粒度合金，合金平均晶粒度的变化规律与中粒度基本一致，但Co粉粒度为0.88 μm时，平均晶粒度粗化明显，除上述影响因素外，主要的因素是：Co粉在0.88 μm时，振实密度较小，同样重量的物料体积较小，致使同样球料比的情况下球磨强度变弱。另外，Co粉粒度在1.0-2.0μm区间时，对粗粒度合金的平均晶粒度的影响不如中粒度合金明显。

2.5 Co粉粒度对合金性能的影响

2.5.1 Co粉粒度对矫顽磁力(HC)及硬度（HV30）的影响

图7为Co粉粒度对矫顽磁力（HC）和硬度（HV30）的影响。图7(a)中，随着Co粉粒度增加，HC先增加后减小，与合金的平均晶粒的变化趋势相吻合（与平均晶粒成反比）。在WC-Co硬质合金中，合金的矫顽磁力与合金WC的晶粒度成反比[8]，平均晶粒度越大，Co相的平均自由程越大，而Co相的平均自由程是影响合金的HC大小的主要因素。Co相平均自由程越小，HC越高；反之，Co相平均自由程越大，则HC越低。图7(b)中，中、粗粒度合金的硬度变化均较小，且变化规律为随Co粉粒度的增加而略微降低。

2.5.2 Co粉粒度对抗弯强度（TRS）及断裂韧性（KIC）的影响

图7 Co粉粒度对中、粗硬质合金矫顽磁力(HC)和硬度（HV30）的影响

图8为Co粉粒度对中、粗硬质合金抗弯强度（TRS）和断裂韧性（KIC）的影响。由图 8(a)可知，随着Co粉粒度的增加，中、粗粒度合金的抗弯强度出现先增加后减小的趋势，变化规律和矫顽磁力基本一致。由图8(b)所示，中粒度合金的断裂韧性随着Co粉粒度增加先减小后增大，变化规律与平均晶粒一致；与中粒度合金的规律不同的是，粗粒度合金的断裂韧性随Co粉粒度增加而增大。

图8 Co粉粒度对中、粗硬质合金抗弯强度（TRS）和断裂韧性(KIC)的影响

3 结论

(1)Co粉粒度对Co在压坯中的分布影响明显，对于中粒度合金，Co粉粒度在0.8-1.5 μm之间时，分布较均匀； 对于粗粒度合金，Co粉粒度在1.0-2.0μm之间时，分布较为均匀。经过烧结后，合金中Co相分布规律与压坯中Co分布的规律基本一致，但不均匀现象明显减弱。

(2)Co粉粒度对中、粗粒度牌号收缩率影响明显，基本规律为收缩率随Co粉粒度的增加而减小。

(3)Co粉粒度对中、粗粒度牌号的晶粒分布、矫顽磁力、抗弯强度、断裂韧性均有一定的影响，但对硬度影响不大。

（4）综合合金各项性能指标，对于中粒度牌号，Co粉粒度选择0.8-1.5 μm比较适宜，对于粗粒度牌号，Co粉粒度选择1.5-2.0μm比较适宜。