预处理工艺对放电等离子烧结超细晶WC_Co硬质合金组织和性能的影

硬质合金

第39卷 第5期 稀有金属材料与工程 Vol.39, No.5 2010年 5月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING May 2010

预处理工艺对放电等离子烧结超细晶WC-Co

硬质合金组织和性能的影响

赵世贤，宋晓艳，王明胜，魏崇斌，刘雪梅，张久兴

(北京工业大学 教育部新型功能材料重点实验室，北京100124)

摘 要：采用不同粒度的WC粉与超细Co粉混合得到初始粉末，利用直接放电等离子烧结(SPS)技术和一种包括真空预处理和SPS烧结的新制备方法，研制超细晶WC-Co硬质合金块体。结果表明，两种不同粒度匹配的混合粉末经真空预处理后SPS烧结得到的试样较直接SPS烧结试样的硬度稍有降低，但断裂韧性得到提高，尤其是抗拉强度得到显著提高。对试样显微组织和性能分析表明，混合粉末的真空预处理工艺对SPS烧结WC-Co硬质合金具有重要作用：去除混合粉末吸附气体，消除Co池，同时保证WC晶粒不发生明显长大。 关键词：超细晶硬质合金；放电等离子烧结；真空预处理；强度

中图法分类号：TG135+.5 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2010)05-0896-06

近些年，随着电子工业和汽车工业领域的高端技术需求，超细和纳米晶硬质合金的制备和生产得到了越来越广泛的关注。根据大量文献报道[1-5]，采用传统烧结方法能够成功制备出WC平均晶粒尺寸小于1 μm的细晶粒硬质合金。但是，由于制备工艺过程复杂，传统烧结方法越来越暴露出许多不足之处，尤其是在高的烧结温度和长的保温时间下难以控制WC晶粒的长大，从而很难制备出晶粒尺寸小于100 nm的纳米晶硬质合金块体材料。因此，一些新的烧结方法相继出现并表现出明显的优越性[6-8]。

放电等离子烧结(SPS)技术具有快的升降温速率、短的保温时间和可调的施加压力等优点，近些年得到了越来越广泛的应用。其中利用SPS技术制备硬质合金的有关国内外文献报道明显增多[9-14]。大量研究结果表明，SPS技术制备的超细和纳米硬质合金具有细小的晶粒组织、高的致密度、高的硬度和良好的断裂韧性，但是，有关强度的报道较少，仅有的报道其值也较低[15]。另外，由于特殊的烧结机制，在SPS技术制备WC-Co硬质合金的过程中，不同初始粉末粒度匹配对制备试样的组织和性能有着一定的影响[16]。

本研究采用两种不同粒度匹配的WC/Co混合粉末，利用直接SPS烧结技术和一种新的制备方法包括真空预处理和SPS烧结，制备超细晶WC-Co硬质合

金。制备出的块体材料具有高的强度值。同时分析其显微组织和力学性能，详细分析真空预处理工艺在SPS烧结硬质合金过程的重要作用。

1 实 验

原料采用厦门金鹭公司生产的粒度为0.2和0.8 μm WC粉和南京寒锐公司生产的粒度为0.8 μm Co粉，初始粉末形貌如图1所示。将0.2和0.8 μm WC粉分别与0.8 μm Co粉按照质量比9:1进行混合球磨，球磨介质为无水乙醇。将球磨后的混合粉末放入真空干燥箱中干燥24 h，得到两种不同粒度匹配的WC- 10Co混合粉末。混合粉末的致密化过程分为两种：一种是分别将两种混合粉末装入石墨磨具中直接放入SPS系统进行烧结致密化，烧结温度为1180 ℃，施加压力为60 MPa，保温时间为10 min；另一种是先将混合粉末放入真空炉中进行真空预处理，预处理温度为1300 ℃，时间为1 h，然后再采用相同的SPS烧结工艺进行烧结致密化。

SPS烧结是在日本住友石炭公司制造的SPS-3.2 -MV型烧结系统上进行。利用JEOL JSM 6500型高分辨扫描电镜(HRSEM)观察初始WC粉、Co粉的形貌 以及烧结块体的显微组织。利用D8 ADVANCE型X射线衍射(XRD)仪对烧结试样进行物相分析。利用

收稿日期：2009-05-10

基金项目：国家自然科学基金（50671001, 50871001）；教育部新世纪优秀人才项目（NCET2006）；教育部博士点基金（20070005010）；

北京特色新材料产业关键技术研发攻关类项目（Z08000003220000）

作者简介：赵世贤，男，1981年生，博士生，北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124，电话：010-67392311，E-mail: tonsils

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第5期 赵世贤等：预处理工艺对放电等离子烧结超细晶WC-Co硬质合金组织和性能的影响 ·897·

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图1 初始粉末的HRSEM照片

Fig.1 HRSEM images of the starting powders: (a) 0.2 μm WC,

(b) 0.8 μm WC, and (c) 0.8 μm Co

Archimedes原理测定烧结块体的密度。采用线性截距法在烧结块体的HRSEM照片上测算WC晶粒的平均晶粒尺寸。利用显微硬度仪测量试样的维氏硬度（HV30）值。通过公式：KIC=0.0028(HV–P/L)1/2估算试样的断裂韧性KIC。式中，P为载荷，N；L为裂纹总长度，μm。采用3点弯法按照标准GB3851-1983测定试样的横向断裂强度。

2 结果与分析

2.1 烧结试样的显微组织

图2是0.2 μm WC/0.8 μm Co混合粉末分别经过直接SPS烧结和真空预处理后SPS烧结得到的块体的显微组织。从图中可以看出，两种制备方法得到的块体WC晶粒细小、且分布范围较窄，最大WC晶粒的尺寸不超过1 μm，没有出现异常晶粒长大现象。XRD分析结果表明，烧结块体未出现杂相的衍射峰(见图3)。从图2中还可以清楚地看到，直接SPS烧结得到的块体中出现了明显的带状Co偏聚的现象(如图2a所示)，即“Co池”，这在硬质合金中属于一种组织缺陷，Co池的存在在一定程度上影响了块体材料的力学性能，尤其是强度。另外，由于块体中总的Co含量是一定的，显微组织中Co的偏聚必定导致试样中出现贫Co区域，甚至无Co区域(如图2a中圈点区域)。这些区域中WC晶粒之间的接触几率较大，出现了多个WC晶粒连接的现象，WC晶粒的多边形和三角形形貌很难在照片中的这些区域看到。而经过真空预处理后SPS烧结试样的显微组织中，Co池现象完全消

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图2 0.2 μm WC/0.8 μm Co混合粉末烧结块体HRSEM照片 Fig.2 HRSEM images of sintered bulks using 0.2 μm WC/

0.8 μm Co mixed powders by: (a, b) direct SPS; (c, d) vacuum pretreatment and SPS

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图3 不同方法制备试样的XRD图谱 Fig.3 XRD patterns of various sintered samples

除，Co的分布更加均匀，Co相自由程分布范围变窄。WC晶粒之间的邻接程度由于Co的均匀分布也明显降低，WC晶粒的多边形和三角形形貌清晰可见。与直接SPS烧结试样相比，真空预处理后SPS烧结试样显微组织中微孔的数量也明显减小。

图4是0.8 μm WC/0.8 μm Co混合粉末分别经过直接SPS烧结和真空预处理后SPS烧结得到的块体的显微组织。由于初始WC粉末粒度有所增大，烧结块体中WC晶粒尺寸也有所增加，但晶粒尺寸分布范围仍然较窄，且无异常晶粒长大现象。从图中可以看到，

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小，在混合粉末中未添加抑制剂的情况下，WC晶粒尺寸没有发生异常长大现象。另外，初始粉末经过1300 ℃真空预处理后SPS烧结试样的WC晶粒只发生了很小程度的长大，其中0.2 …… 此处隐藏：3080字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……