摘 要: 探讨了粗颗粒与特粗颗粒两种粒度级别以及平面化表面与球化表面两种形貌特征的 WC原料对 WC-Co硬质合金中 WC 晶粒度、晶粒形貌以及合金性能的影响。结果表明，分别采用费氏粒度为 11.4~13.4μm，与 22.0~28.3μm 两种粒度级别的 WC 粉末为原料制备合金，尽管两种合金硬度之间存在明显差别，但是两种合金的晶粒度相差很小，在 4.0~4.3μm之间，同属一种粒度级别。WC 原料的原始形貌对合金中 WC 晶粒形貌与合金性能影响很小，碱金属掺杂原料制备的合金中 WC晶粒结晶完整性相对较差。因此，高纯原料是制备高性能硬质合金的基础。
关键词: 粗晶硬质合金；微观组织结构；结晶形貌；晶粒度；性能
0 前 言
按 Sandvik 公司有关硬质合金的分类标准[1-2]，合金中 WC 晶粒度为 3.5~4.9 μm、5.0~7.9 μm、8.0~14μm的硬质合金分别为粗晶粒、超粗晶粒和特粗晶粒硬质合金。超粗、特粗晶粒硬质合金是国外开发的一种新型硬质合金，目前属国内空白。在 Co含量相同的条件下，与传统的中、粗颗粒硬质合金相比，超粗、特粗晶粒硬质合金具有极高的热导率，较高的断裂韧性与红硬性，较好的抗热疲劳与抗热冲击性能，主要用于极端工况条件下软岩的连续开采(如采煤、地铁建设)与现代化公路、桥梁的连续作业(如挖路、铺路)，也可用于对韧性与抗热疲劳、抗热冲击性能要求较高的冲压模、冷镦模、轧辊等[3-4]。这类合金的市场需求量占硬质合金市场需求总量的 10 %以上，具有非常广阔的市场前景。
目前国内常采用 WOx (氧化钨)→ 碱金属掺杂→ <1000 ℃还原—超粗 W 粉→ >1980 ℃高温碳化—超粗 WC 粉→ 湿磨、成形、烧结—粗晶硬质合金的工艺流程制备粗晶硬质合金。笔者将探讨 WC粉末的粒度与颗粒形貌对 WC- Co 硬质合金中 WC硬质相的晶粒度、晶粒形貌以及合金性能的影响。本研究对超粗晶粒硬质合金的研究和粗晶粒硬质合金的质量控制均具有一定的指导意义。
1 实验方法
采用 a、b、c、d4 种 WC粉末作为原料，其费氏粒度(Fsss)分别为 13.4μm，11.4μm，28.3μm和 22.0μm。WC- a 与 WC- b 为同一种 W 粉原料制备，同属粗颗粒粉末级别；WC- c 与 WC- d 为同一种碱金属掺杂超粗 W 粉原料制备，同属超粗颗粒粉末级别。4 种粉末的扫描电镜形貌照片见图 1。由图 1 可知，WC-a 与 WC- c (A 组) 粉末表面具有平面化形貌特征，WC- b 与 WC- d (B组) 粉末表面具有传统的球化特征；A 组 WC 晶粒表面呈现明显的生长台阶与生长平面，其结晶完整性明显高于 B 组粉末。在 A 组WC中，由于 WC- c 所用原料 W粉是采用碱金属掺杂工艺制备，其晶粒的结晶完整性较 WC- a 差；WC- a 中一些 WC晶面呈现六边形或截角三角形(见图 1a 中箭头所指)，非常接近其理想结晶形貌。然而，原料 W 粉的制备工艺(碱金属掺杂与未掺杂)对B 组 WC 粉末的形貌并未造成明显影响。结合 WC粉末的 Fsss 与粉末的微观形貌照片可知，Fsss 并不能真实反映粉末颗粒的实际粒度。
合金的基本成分为 WC- 10 % Co(质量分数)，混合料湿磨时间为 24h，湿磨球料比为 3∶1。合金烧结在传统真空炉内进行。烧结工艺分两种，工艺 A：烧结温度 1 460 ℃，保温 140 min；工艺B：首先按工艺 A 烧结，然后在 1500 ℃保温 120 min复烧。合金 a、b、c、d 分别对应 a、b、c、d 4 种 WC 原料。
2 结果与讨论
2.1 WC 粉末粒度与形貌对硬质合金中 WC 晶粒度
与晶粒形貌的影响Herber R P 等[5]的研究结果表明，采用球形 WC粉末为原料，通过避免硬质合金混合料制备过程中WC 颗粒的破碎，在 Fe、FeCr、NiCr、CoNiCr 粘结剂体系的硬质合金中，合金中 WC晶粒可以保持其原始表面球化的形貌特征。然而本研究发现，WC原料粉末形貌对 WC-Co 合金组织结构中 WC 晶粒形貌并无实质性影响。扫描电镜下合金的三维立体金相组织与光学显微镜下合金抛光截面的二维金相组织分别见图 2 与图 3。对照图 1 与图 2 可知，尽管 A组 WC原料粉末形貌与 B 组 WC 原料粉末形貌完全不同，但是分别将两组原料制备成 a、b、c、d 4 种合金，合金中 WC晶粒形貌不存在明显区别，均为不规则多面体形貌。进一步观察发现，与合金 a、合金 b 相比，合金 c与合金 d 中 WC晶粒形貌的不规则性与结晶的不完整性更加明显，晶粒表面凹凸现象相对比较明显，见图 2c-f。由图 3 可知，WC晶粒的结晶缺陷在抛光截面的二维金相组织中难以被发现。由于 WC-c 与WC-d 为掺杂超粗钨粉高温碳化工艺制备，合金 c 与合金 d 中 WC晶粒形貌的不规则性与结晶的不完整性与原料的制备工艺应该有着内在的联系。因热导率与电子运动的平均自由程有关，合金中 WC结晶完整性的降低，必然会导致合金热导率的降低。因合金抗热疲劳性能与热导率成正比[6]，热导率降低会导致合金抗热疲劳性能的降低。同时，合金中 WC晶粒结晶完整性的降低，也会导致其抗裂纹扩展能力的降低与耐磨性的降低，从而导致合金使用性能的降低。因此，高纯原料是制备高性能硬质合金的基础。
采用传统截距法 测量合金抛光截面金相组织中 WC 的平均晶粒度，4 种合金的平均晶粒度在4.0~4.3μm之间。尽管 WC- c、WC- d 的 Fsss 分别为相应的 WC- a、WC- b Fsss 的 2 倍左右，但是合金的晶粒度之间相差不大。采用费氏粒度高达 28.3 μm的 WC原料，在传统的制备工艺条件下即使采用高温复烧工艺也制备不出晶粒度≥5 μm 的超粗晶粒硬质合金。
为了探讨 WC原料粉末形貌对合金组织结构中WC晶粒形貌无实质性影响的原因，采用 HCl 煮沸去除湿磨混合料中的 Co，在扫描电镜下观察 WC-a、WC-b 原料分别所对应的湿磨混合料中 WC 的形貌特征(见图 4)。由图 4 可知，由于 WC属脆性粉末，经24h 研磨、破碎后，两种 WC粉末形貌均发生了巨大变化，难以分辨两者之间的形貌差异。湿磨不但会导致 WC、Co晶格畸变能的增加，而且会导致 WC晶粒表面高表面能的晶面数量增加。值得一提的是，笔者前期的研究结果表明[7]，采用具有表面球化特征的WC 为原料，即使不经过湿磨破碎过程，合金中WC 晶粒同样也具有不规则多面体的形貌特征。因此，湿磨过程中 WC颗粒的破碎并非 WC原料粉末形貌对合金组织结构中 WC晶粒形貌无实质性影响的主要原因。WC、Co晶格畸变能的增加与 WC晶粒表面高能面数量增加只具有促进合金致密化的作用。
晶体形态不但受内部结构的对称性、结构组元间键力和晶体缺陷等因素的制约，同时在很大程度上还受到生长环境相的影响。对硬质合金而言，合金中 WC的晶粒形貌主要取决于 WC固相颗粒与液态粘结相之间的界面能[8-9]，通过添加合金元素，改变WC 固相颗粒与液态粘结相之间的界面能，可以实现对合金中 WC晶粒形貌的控制。
2.2 合金性能
合金的物理与力学性能见表 1。由表 1 可知，由于合金之间晶粒度相差较小，合金 a 与合金 b 之间，合金 c 与合金 d 之间的硬度与矫顽磁力相差很小。由于高温复烧过程中 WC 晶粒并未发生明显长大，高温复烧未造成合金硬度降低，但合金矫顽磁力呈降低趋势。
WC- Co 硬质合金的硬度与合金中 WC 的晶粒度与硬度、粘结相的含量与硬度等微观组织结构的特征参数有关[10-12]。因 WC 是一种典型的硬度各向异性材料，WC(0001)晶面的硬度(HV=2100)是(1100)晶面硬度(HV=1 080)的近 2 倍[13]，合金 c、合金 d 的硬度较低，除与合金的平均晶粒度有关外，同时也与合金中 WC的结晶学特性有关。低硬度晶面表面积的增加以及 WC晶体缺陷的增加，均可导致合金硬度的降低。遗憾的是，合金抛光截面晶粒度评定方法是一种受测量者主观因素与软件系统影响相对较大的一种半定量分析方法，在晶粒度相差不大的情况下，现有的晶粒度评定标准难以对四种合金的晶粒度作出精确评定。
3 结 论
(1)对 WC- Co硬质合金，WC 粉末形貌对硬质合金中 WC晶粒的结晶形貌与合金的物理力学性能不存在明显影响。
(2)分别采用费氏粒度为 11.4~13.4 μm 与 22.0~28.3 μm 两种粒度级别的 WC 粉末为原料制备合金，尽管两种合金硬度之间存在明显差别，但是两种合金的晶粒度相差很小，在 4.0~4.3 μm 之间，同属一种粒度级别。
(3)合金中 WC 晶粒的形貌主要受烧结过程中液固界面能的影响。合金中 WC晶粒形貌的不规则性与结晶的不完整性与原料制备过程中杂质的影响以及原料的纯度密切相关。
参考文献略
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