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(2)

表1列出不同初始粉末、不同制备工艺得到的块体密度、晶粒尺寸以及力学性能对比结果。从表中可以看出，不同初始混合粉末直接SPS烧结试样的密度均较低，尤其是0.2 μm WC/0.8 μm Co混合粉末烧结试样的密度只有14.20 g/cm3。而经真空预处理后SPS烧结试样的密度均较高，基本达到了理论密度值。从制备试样的WC平均晶粒尺寸可以看出，SPS制备的试样晶粒尺寸能够得到有效抑制，平均晶粒尺寸均较

表1 不同烧结试样的性能对比

Table 1 Property comparison of various sintered samples

Mixed powder 0.2 μm WC/0.8 μm Co 0.8 μm WC/0.8 μm Co

Pretreatment Density/g·cm-3Mean grain size/μmHardness, HV30/MPa KIC/MPa·m1/2 TRS/MPa

- 14.20 0.23 17 460 12.46 1860

14.52 0.28 16 680 12.87 2500 1300℃, 1 h

- 14.41 0.43 16 430 13.08 2690

14.55 0.47 16 080 14.00 3100

1300℃, 1 h

硬质合金

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 ·899·

a

P/m uuca V Sintering Time/s

图5 试样在SPS烧结过程中真空度随烧结时间的变化关系 Fig.5 Variation of vacuum degree with time during SPS process

of samples

合粉末在经过真空预处理后SPS烧结时，真空度始终保持一个较低的值。混合粉末吸附的大量气体在进行直接SPS烧结后不能充分排放，使得烧结块体致密度较低(如表1)，而当混合粉末在经过真空预处理后SPS烧结，由于混合粉末在经过真空预处理阶段吸附的气体已经基本排放完毕，试样的密度得到了提高，接近理论密度。密度的提高在一定程度上也影响了试样的强度值。

其次，真空预处理工艺能够消除直接SPS烧结时试样中出现的Co池，使试样显微组织更加均匀。从图2a和图4a中可以看到，混合粉末在直接SPS烧结时得到的试样显微组织中出现了不同程度的Co池缺陷，在长时间的球磨混合过程中，由于Co的塑性极好，Co颗粒在球磨的作用下发生聚集和压扁变形，WC颗粒很难分离Co颗粒的偏聚，尤其是WC粒度和Co粒度相差较大时，Co的偏聚程度更大，在烧结之前即形成了大尺寸的条带状。在随后的SPS烧结过程中，由于烧结速度很快，即使在液相收缩时，Co相也未能得到充分的扩散，条带状Co相即在烧结结束后保留下来，从而形成了Co池。当混合粉末经过真空预处理时，由于预处理温度接近WC-Co的共晶温度(1320 ℃)，在预处理过程中，混合粉末已经出现了液相，球磨过程中形成的条带状Co颗粒在足够的温度和保温时间里得到充分扩散，在预处理结束后，Co相已基本均匀化分布。在随后的SPS致密化后，Co池现象得到了完全消除。Co池缺陷的消除对试样力学性能产生很大的影响，尤其使得横向断裂强度值得到了大幅度提高。

最后，真空预处理工艺在去除吸附气体和Co池缺陷的同时能够保证WC晶粒不发生明显长大。在选择真空预处理温度时，进行了以下试验：将0.2 μm

WC/0.8 μm Co混合粉末分别进行不同温度的真空预处理和真空预处理后SPS烧结，真空预处理的温度分别为：1250，1300，1350，1400和1450 ℃，不同预处理温度对应的SPS烧结工艺相同，即烧结温度为1180 ℃，施加压力为60 MPa，保温时间为10 min。图6是真空预处理试样和真空预处理后SPS烧结试样的密度和WC平均晶粒尺寸随预处理温度的变化曲线。从图6a中可以看到，真空预处理试样的密度在预处理温度达到1400 ℃时已经接近理论密度，而此时WC晶粒也相应突发长大。这表明，WC晶粒在试样未达到完全致密化之前基本不发生长大或者发生缓慢的长大，而在试样基本完全致密化时才发生了较大程度的突发长大。从WC-Co硬质合金的烧结机制可以解释[17]：WC-Co硬质合金的烧结过程主要包括3个阶段，即颗粒重排阶段、致密化阶段和晶粒长大阶段。在颗粒重排和致密化阶段，粉末颗粒通过固相重排和液相溶解析出发生收缩，此阶段孔隙的大量存在在一定程度上阻止了WC晶粒之间晶界的迁移，从而WC晶粒没有发生较大的长大，而当致密化基本完成后，孔隙消除，WC晶粒开始通过溶解析出过程发生快速长大，即晶粒长大阶段。图6b也示出真空预处理后SPS烧结试样的密度基本都达到了理论密度，而WC

mμ3

/-mce zi·Sg /ytniairs nGeD na eM m

μ3

/- mezci·Sg / ytniairs neGD n aeM

Treatment Temperature/℃

图6 不同试样密度和平均晶粒尺寸随真空预处理

温度的变化曲线

Fig.6 Change of density and mean grain size of various samples

with pretreatment temperatures by: (a) vacuum pretreat- ment and (b) vacuum pretreatment and then SPS sintering

硬质合金

·900· 稀有金属材料与工程 第39卷

平均晶粒尺寸也是在预处理的温度1400 ℃时发生突发长大。因此，选择1300 ℃预处理温度能够保证在预处理后SPS烧结试样的WC晶粒较直接SPS烧结时不发生明显长大。从试样的WC晶粒尺寸分布(如图7所示)还可以看出，两种制备方法得到的WC粒度分布范围基本相同，真空预处理后SPS烧结试样中粒度小于0.4 μm的WC晶粒有所减少，但平均晶粒尺寸较直接SPS烧结仅增加了40 nm (如表1所示)。另外，当真空预处理温度为1350 ℃时，由于烧结温度过高或者其它原因，烧结试样中出现了一定量的缺碳相，而当预处理温度为1250 ℃时，由于温度过低，预处理过程中混合粉末未出现液相，因此Co相没有发生或者仅发生少量的扩散，烧结试样中有Co池的存在。

n oitca rF

n

o itc

ar F Grain Size/μ

m

图7 0.8 μm WC/0.8 μm Co混合粉末制备试样的WC晶粒

尺寸分布

Fig.7 WC grain size distribution of sintered bulks using 0.8 μm

WC/0.8 μm Co mixed powders by: (a) direct SPS; (b) pretreatment and SPS

3 结 论

1) 采用0.2 μm WC粉和0.8 μm Co粉混合粉末进行直接SPS烧结，试样中出现明显的Co条带状偏聚，“Co池”的出现影响了试样的性能，尤其是降低了强度值。混合粉末经过真空预处理后SPS烧结，试样的强度得到了明显的提高(增大了34.4%)。

2) 采用0.8 μm WC粉和0.8 μm Co粉混合粉末进行直接SPS烧结，试样中未出现明显的Co带状偏聚，但Co的分布仍不均匀。此混合粉末经过真空预处理后SPS烧结，试样的抗拉强度也得到了较明显的提高(增大了15.2%)。

3) 混合粉末的真空预处理能够去除粉末吸附的气体，提高烧结试样的致密度；经过真空预处理的试样在一定程度上消除了“Co池”缺陷，使得显微组织更加均匀化；在去除吸附气体和消除Co池的同时，真空预处理工艺能够保证WC晶粒不发生明显的长大。

参考文献 References

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