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燒結溫度對一步法制備超細晶WC-Co基硬質合金組織及性能的影響

 來源:等離子球磨技術

本文采用等離子球磨制得W-C-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2納米復合粉體,然后經低壓燒結一步法制成硬質合金。等離子球磨3h的復合粉體呈片層狀,并且成分分布均勻。在1380℃燒結溫度下,硬質合金的致密度為99.2%,WC平均晶粒尺寸為250nm,硬度和橫向斷裂強度分別為92.3HRA和2443MPa。

一、實驗

將原始粉末按照W-C-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2(Co、VC、Cr3C2均為質量分數)的成分配制混合粉末,球料比50:1,等離子球磨3h。將球磨后的粉體壓制成型,在不同溫度下(1340℃、1360℃、1380℃、1400℃)低壓燒結,保溫1h。將燒結后的試樣打磨拋光,獲得20×6.5×5.25mm的試樣。

二、結果和討論



圖1:等離子球磨3h后,W-C-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2復合粉體形貌

 

球磨后的粉體形貌如圖1所示,可以看出復合粉體明顯呈片層狀結構,且片層方向各異,并在表面上有細小顆粒附著。球磨過程中,不斷撞擊,W顆粒的新鮮表面逐漸露出,并具有一定延展性,逐漸扁平化形成片層結構。

 

圖2:不同燒結溫度下硬質合金試樣的密度和致密度

 

由圖可知,硬質合金式樣的密度與致密度隨著燒結溫度的升高而增加。當燒結溫度從1340℃升高至1400℃,WC-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2硬質合金塊體的致密度從98.1%增加至99.3%。

 

圖3 不同燒結溫度下,硬質合金的WC晶粒尺寸:(a) 1340℃; (b) 1360℃; (c) 1380℃; (d) 1400℃; (e)WC平均晶粒尺寸統計

 

圖4 不同燒結溫度下硬質合金的組織形貌:(a,b) 1340℃, (c,d) 1360℃, (e,f) 1380℃;(g,h)1400℃

 

對燒結后的硬質合金進行掃描電鏡觀察并統計WC平均晶粒尺寸如圖3所示。圖4為不同燒結溫度下WC-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2硬質合金的背散射圖像,其中亮色長條狀區域為WC相,黑色區域為Co相。與1340℃和1360℃燒結溫度相比,在1380℃燒結所制備的硬質合金的wc晶粒尺寸有明顯降低,平均晶粒尺寸為250nm左右。WC晶粒形貌由長條狀逐漸變為板狀甚至纖維狀,Co相也更加均勻包覆WC骨架。當燒結溫度升至1400℃時,WC平均晶粒尺寸有所增加。

 

表1 不同燒結溫度下硬質合金塊體的力學性能及Co相平均自由程

 

圖5 不同燒結溫度下硬質合金的斷口形貌:(a) 1340℃; (b) 1360℃; (c) 1380℃; (d) 1400℃

 

對不同燒結溫度下的WC-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2硬質合金進行相關力學性能測試,結果如表1所示。隨之燒結溫度的升高,合金的硬度和橫向斷裂強度TRS均呈先增后降的趨勢,在1380℃時,合金式樣的力學性能最佳,硬度為92.3HRA,TRS為2443MPa。

進一步對其斷口形貌進行觀察,如圖5所示??梢园l現,采用不同燒結溫度制備的WC-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2硬質合金均存在一定數量的孔隙,但隨著燒結溫度的升高,孔隙數量有所減少且孔隙尺寸明顯降低。還可以看出,合金的斷裂形式主要為WC/Co相界面沿晶斷裂以及WC晶粒穿晶斷裂。在圖5(a)和(b)中還觀察到部分的WC相與WC相晶粒間的沿晶斷裂。

三、結論

1)本實驗以 W、C、Co粉作為初始原料,并添加適量的晶粒長大抑制劑,球磨后的W-C-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2復合粉體具有明顯的片層形貌。

2)晶粒長大抑制劑在1380℃和1400℃燒結時凸顯抑制作用,其中1380℃燒結制備的WC平均晶粒尺寸最小為250nm。

3)1380℃燒結制備的WC-10Co-0.9VC-0.3Cr3C2硬質合金,硬度和TRS分別為92.3HRA和2443MPa,具有最佳的WC晶粒尺寸與致密度(99.2%)配合,綜合力學性能最佳。


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