1、贫碳WC-12%(Co+Ni)硬质合金微观组织与性能胡启明廖宇*（自贡硬质合金有限责任公司，四川自贡 643011）摘要硬质合金的组织和性能对C含量具有很高的敏感性，但对WC硬质合金两相区下限碳含量的综合性能研究甚少。本文分析了两相区下限附近碳含量（5.06%5.21%）对烧结制备WC-12%(Co+Ni)硬质合金微观组织和性能的影响。研究发现：在两相区内较高C量会抑制Ostwald机制(较小颗粒溶解而较大颗粒继续长大的机制)中WC的溶解过程；在两相区以下较低C量，脱碳相的存在会抑制Ostwald机制中WC的沉积过程。随着碳含量的增加，WC 平均晶粒度呈先增大后减小的趋势，在 C 含量为5.1
2、1%时达到最大值。碳含量的增加会影响W的溶解度，W在缺碳区形成相和在两相区沉淀形成WC都会造成黏结相W溶解度的降低。能谱(EDS)显示碳含量为5.21%时合金黏结相溶解的W约19.41%，较5.11%碳含量的合金下降了19.45%。碳含量和微观组织对硬质合金的性能具有敏感性：密度随碳含量的增加略有下降，而钴磁上升却很明显；合金的洛氏硬度HRC和抗弯强度随着碳含量成抛物线变化趋势，在5.16%达到极大值，分别为83和2070 MPa。关键词硬质合金；碳含量；黏结相；微观组织Microstructure and Properties of Carbon-Poor WC-12%(Co+Ni)Ceme
3、nted CarbideHu QimingLiao Yu*（Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd.,Zigong Sichuan 643011,China）ABSTRACTThe structure and properties of cemented carbides are highly sensitive to carbon(C)content,but thecomprehensive properties of the lower limit C content in the two-phase region of WC cemented carbides a
4、re rarely studied.The effect of C content(5.06%5.21%)near the lower limit of the two-phase region on the microstructure and properties ofthe prepared WC-12%(Co+Ni)cemented carbide by sintering is analyzed.It is found that higher C content in the two-phase region will inhibit the dissolution process
5、of WC in the Ostwald mechanism,and in the case of lower C content belowthe two-phase region,the presence of decarbonized phase will inhibit the deposition process of WC in the Ostwaldmechanism.With the increase in C content,the average grain size of WC increases first and then decreases,and it reach
6、esthe maximum value when the C content is 5.11%.The increase in C content will affect the solubility of W.The solubility ofW with binding phase decreases when W forms phase in the carbon-deficient region and precipitates in the two-phaseregion to form WC.The energy dispersive spectrum(EDS)shows that
7、 the dissolved W with binding phase in alloy with a C作者简介：胡启明（1967-），男，博士，高级工程师，主要从事硬质合金的生产技术管理工作。E-mail:。通信作者：廖宇（1995-），男，硕士，工程师，研究方向为硬质合金。E-mail:。DOI：10.3969/j.issn.1003-7292.2023.01.009引文格式：胡启明，廖宇.贫碳WC-12%(Co+Ni)硬质合金微观组织与性能J.硬质合金，2023,40（1）：66-72.HU Q M,LIAO Y.Microstructure and properties of car
8、bon-poor WC-12%(Co+Ni)cemented CarbideJ.Cemented Cabides,2023,40（1）：66-72.2023年2月Feb.2023第40卷第1期Vol.40 No.1硬质合金CEMENTED CARBIDES材料科学与工程第40卷硬质合金是重要的工具复合材料，相比于传统陶瓷材料，具有同等的硬度，但仍有较高的断裂韧性；而相比于金属合金，延展性虽略低，但具有更高的强度和硬度1-3；因此：硬质合金被广泛应用于工业领域。WC-Ni硬质合金在耐腐蚀性、抗氧化、耐磨性等性能方面优于WC-Co硬质合金，相对于黏结金属Co、Ni的资源保有量较大，价格便宜且无毒无
9、污染4，因此被认为是可替换Co的重要材料。但Ni替换Co会导致力学性能下降，这也是亟需解决的问题5。W-C-Ni三元相图与W-C-Co相似6，同样存在脱碳区、双相区和游离碳区。WC-X相图中两相区碳含量范围可称为“碳窗”，当碳含量低于“碳窗”理论值时，会形成具有脆性特征的相；当碳含量高于“碳窗”理论值时，硬质合金中会存在游离碳7。在硬质合金中碳含量的轻微波动就会导致硬质合金微观组织的变化，从而影响整体合金性能8-9。值得注意的是，远低于脱碳相边界对WC-Co硬质合金力学性能的影响得到了学者们的广泛的研究10-12。但硬质合金脱碳相边界附近含碳量对力学性能的影响也值得探索，Zhang等人13便发
10、现WC-6%Co硬质合金含碳量在双相区下限时，具有较好的综合力学性能，Konyashin I14-15等人也通在贫碳区研发了牌号为MASTER GRADES 的合金，综合性能也大大提高。但这些研究仅以WC-Co为研究材料，而其他黏结相在贫碳区性能的探究甚少，本研究以Co+Ni黏结相为研究对象，系统研究了脱碳相边界附近碳含量对WC-12%(Co+Ni)硬质合金显微组织和物理力学性能的影响。1 实验步骤1.1 材料制备WC 采用自贡硬质合金有限责任公司生产的WC，其平均粒度为27.2 m，化合碳为6.158%（本文含量均为质量分数），游离碳为0.03%。Co粉采用南京寒锐钴业股份有限公司所生产的E
11、FS-1，平均粒度为 1.0 m，Ni 粉采用加拿大 INCO 公司提供的T255，平均粒度为1.5 m。通过W-C-Co和W-C-Ni三元相图推测可知15，WC-12Ni和WC-12Co的总碳含量下限分别是 5.11%和 5.18%，以此设计碳含量梯度实验，实验点间依次相差 0.05%，成分配比如表1所示，对碳含量的调整是在配料时以补偿炭黑粉末或超细纯钨粉的形式添加到混合料中进行球磨均匀。原料粉末按照表1成分进行称量500 g，加入到1.5 L的球磨罐中，以2%的石蜡作为成型剂，以直径为10 mm的研磨棒为研磨体，球料质量比为21。称完料后，加入己烷研磨介质，加入量为280 mL/kg，以7
12、2 r/min转速在球磨机上进行湿磨16 h。球磨结束后，经干燥、擦筛制粒，制成7.5 mm20 mm20 mm的刀头形状压坯。压坯经过低压烧结致密，烧结工艺为5 MPa、1470、保温90 min，然后随炉冷却。1.2 性能检测采用长沙贤友电子科技开发有限公司的 SM-8100测定试样矫顽磁力，采用日本三丰量具公司的ark-600洛氏硬度机测定合金洛氏硬度，采用三点弯曲法通过新三思材料检测有限公司的CMT5305测试抗弯强度。使用20%铁氰化钾和20%氢氧化钠按体积比 11 配制的腐蚀液轻微腐蚀，通过光镜（OE,Leica DMI 5000M)观察样品的脱碳相，采用扫描电子显微镜(SEM,Z
13、eiss Simga500）观察样品的微观组织和形貌，通过EDS（JXA-8230）测量溶解在黏结相中的W浓度。2 结果与讨论content of 5.21%is about 19.41%,which is 19.45%lower than that in alloy with a C content of 5.11%.The C content andmicrostructure are sensitive to the properties of the cemented carbide.The density decreases slightly with the increase in
14、 Ccontent,but the cobalt magnetism increases obviously.In addition,the Rockwell hardness and bending strength of the alloyshow a parabolic trend with the C content and reach the maximum values of 83 HRC and 2070 MPa at 5.16%.KEY WORDScemented carbide;carbon content;bonding phase;microstructure表1 样品编
15、号与混合料配料成分Table 1 Sample number and composition of mixtureSample1234w(C)/%5.065.115.165.21m(WC)/g410.84414.91418.97423.03m(Co)/g30303030m(Ni/)g30303030m(W08)/g29.1625.0921.0316.97胡启明，廖宇：贫碳WC-12%(Co+Ni)硬质合金微观组织与性能-67硬质合金第40卷2.1 微观结构样品相组成的XRD分析如图1所示，可以看出，样品的相组成随着各种碳含量的变化未发生变化，只有WC和Co-Ni相。可能是由于C较下限低的太少，
16、M6C含量不多，因此而未被检测到。表2为不同碳含量硬质合金的金相分析结果：从孔隙度可以看出，不同碳含量的合金孔隙度均达到了 A02B00 水平，表明合金具有很高的致密度。此外，当碳含量为5.06%和5.11%时，合金中均出现了 E50 脱碳相（相）；当碳含量为 5.16%和 5.21%时，合金为WC和的两相结构。不同碳含量的金相照片如图2所示，黑色为相。可以看到C含量为5.06%的样品中脱碳相细小且分布均匀，而在C含量为5.11%样品中，脱碳相粗大，存在较为明显的树枝状相。这与文献16所报道的微观结构相同，碳含量低的情况下，相细小且分散均匀，靠近两相区下限时，形成块状枝状 相。而 C 含量为 5.16%、5.21%的样品金相由WC和黏结相两相构成。图 3 为不同碳含量样品的扫描电镜（SEM）照片。如图3所示，合金的WC都呈不规则的多边形形状，仅有少部分WC晶粒存在一定弧度的边界。碳含量为 5.06%、5.11%时，合金中 WC相尺寸分布极不均匀，存在细小和异常长大的WC晶粒。碳含量为 5.16%、5.21%时，WC 晶粒尺寸晶粒相对分布均匀，极少存在异常长大的情况。使用截线法对不同碳含
