WC-Fe/Co/Ni硬质合金的研制

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.01.009 北京钢铁学院学报 1983年第1期 WC-Fe/Co/Ni硬质合金的研制 粉末冶金教研室 杨金辉张天贶赖和怡 摘 要 WC-Fe/Co/Ni硬质合金完金可用传统的硬质合金生产方法进行生产。本文 通过实验着重说明选择Fe/Co/Ni合金作为硬质合金粘结相是完全可能的，效果 是明显的，并且可以使合金的成本六大降低。同时，本文还论述了粘结相成分、 粘结相含量及粘结相结构对合金性能的影响。 前 言 钨钴硬质合金是由硬质相-WC和粘结金属-Co所组成。在W-C-C0三元系状态图的钴 角有一个单相区~相区，该相是W、C原子溶于Co中形成的固溶体，这就是通常所说的 Y+W(+ W+ Y+WC 图1W-C-C0三元系状态图在凝周温度下的等温戴面 116

北京钧铁学院学报 白 年 绍 翔 一 硬质合金的研制 粉 末 冶 金 教研 室 杨 金 辉 张 天脱 赖 和 怡 摘 要 一 硬 质合金完全可 用传统的硬 质合金生产方法进 行生产 。 本 文 通过 实验 着重说 明选择 。 合金作为硬质合 金粘结相是完全 可能的 ， 效 果 是明显的 ， 并且可 以使合金 的成本太 大 降低 。 同 时 ， 本文 还 沦述了粘结相成分 、 粘 结相含量及粘 结相结构 对合 金 性能的 影 响 。 前 言 钨钻硬质合金是由硬质相 一 和粘结金属 一 所组成 。 在 一 一 。 三元系状态图的 钻 角有一个单相 区 一 相区 ， 该相是 、 原子溶于 。 中形成 的 固溶体 ， 这就是通 常 所 说 的 ‘ 一 尹价丫 竞召丫 ‘ 夕 沪 尹 ‘ 沪沪户 少尸 一 、 ‘ 户 目 产产 声 · 一仁 二 人 、 、 、 图 一 一 。 三 元 系 状 态 图在 毅 固 沮度下 的 等温 截面 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．01．009

WC-C0硬质合金的粘结相(1)（图1）。硬质相与粘结相之间要有良好的润湿性。因而看 出，粘结相在硬质合金中占有特别重要的地位，对硬质合金的性能有着决定性的作用。但 是金属钴是稀贵金属，战略物资。因而，寻找其他金属取换金属钴作为硬质合金的粘结相 具有特别重要经济意义和政治意义。 国内外的科技工作者都在试图创造新牌号的硬质合金(2)，进行少用钻或者不含钴的 硬质合金的研制。本文详细论述了选择Fe/Co/Ni合金作为硬质合金粘结相是完全可能的， 效果是明显的，它可以使合金的成本大大降低。同时本文也着重论述了粘结相成分、含量 及粘结相结构对合金性能的影响。 WC-Fe/Co/Ni硬质合金完全可用传统的硬质合金生产方法进行生产。，， 实验研究工作 本次实验研究工作着重强调粘结相的影响，并且进行少钴硬质合金方面的研制。以大 量是Fe,少量是Ni、Co的Fe/Co/Ni合金作为硬质合金的粘结相。硬质合金试样按传统的 生产工艺进行制造。 1.试验方法： （1)原材料： -30 ①Fe粉：总Fe98.34%含C0.02% ②Ni粉，99.5% 图2 ③Co粉：含Co98.86% ④WC粉：总C6.01%游离C0.03% (2)试样规格：（单位mm) 试样为5×5×30mm的长条矩形，用以测定抗弯强度、硬度、密度，同时进行潜样用 于金相分析和电镜观察。 (3)性能测试： 硬质合金性能测试包括有：密度测定、抗弯强度测定、硬度测定。 (4)组织结构分析：用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪对组织结构进行了详尽 的分析研究。 2.研究结果： (1)WC-Fe/Co/Ni硬质合金在饶结态和淬火态时的主要性能： 丧1 成 A E G30% 无Co 性能气 性 10% 15% 20% 25% 30% 40% Fo:N」 F41 m度 密 13.7813.92 13.6613,61 12.8012.95 12.5212,60 12.4412.15 ]1,14 12.00 硬度(Ra) 烧结态 88,589.1 86.786,9 85,685.4 85,184.9 84.684.1 82,4 76,2 硬度淬火态 87,587,7 88.988,3 87.886.9 86,786 117

二 。 硬质合金的粘结相〔 ，〕 图 。 硬质相与粘结相之间要有良好的润湿 性 。 因 而 看 出 ， 粘结相在硬质合金 中占有特别 重要的地位 ， 对硬质合金 的性能有着决定性的作 用 。 但 是金属钻是稀贵金属 ， 战略物 资 。 因而 ， 寻找其他金属取换金属钻作为硬质合金的 粘结相 具有特别重要经济意义和政治意义 。 国内外的 科技工作者都在试图创造新牌号的硬 质合金〔 〕 ， 进行少 用钻或者不含 钻 的 硬质合金 的研制 。 本文详细论述了选择 合金作 为硬质 合金粘结相是完全可能的 ， 效果是明 显的 ， 它可 以使合金 的成本大大降低 。 同时本文也 着重论 述了 粘结相成分 、 、 含 及 粘结相结构对合金性 能的影响 。 一 “ 硬 质合金 完全可 用传统的硬 质合 金生产方法进 行生产、 实 验 研 究 工 作 本次实验研究工作 着重强调粘结相的影响 ， 并且进 行少 钻硬质合金方面的研制 。 以大 量是 ， 少 量是 从 。 的 合金作 为硬质合金 的粘结相 。 硬质合金 试样按传统的 生 产工艺进 行制造 。 试验方法 原材料 ① 粉 总 含 ② 粉 ③ 粉 含 ④ 粉 总 。 游离 试样规格 单位 阵票习 耳 试样 为 的 长条矩形 ， 用 以测定抗 弯强度 、 硬度 、 密度 ， 同时 进行磨样 用 于金相分析和 电镜观察 。 性能测 试 硬质合 金性能测试包括有 密度 测定 、 抗弯强度测定 、 硬度侧定 。 组织 结构分析 用金相显微镜 、 扫描 电镜 、 射线衍射仪 对组织结构进 行了详 尽 的分析研究 。 研究结果 一 硬质合金在烧结态 和淬火态 时的 主 要性能 衰 入食 、 、 之 · “ 。 ” ‘ “ 。 一 能名 一 圃 ‘ 。 “ 阶 ” 。 遵 考 ，二 声 ， ， 。 ， 。 。 。 ， 。 。 ， 。 ， 。 。 “ ， 。 ， ‘ 一竺兰二 一 －－ 卜一一 一」－ 卜－ 一 一 硬 度 。 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 】 。 。 。 尸 孟 。 ， ， 。 月 。 】 。 月 ， 。 ， 。 。 」 石‘ 者闷臼 八户 一 口 孟 一 口 一 ， 止 兮 一 口 ， 任 一 ‘ 一 马 一－ 一 －－－－ 硬 度淬 火 态 ， ’ ‘ ， ‘ ， 吕 ’ ， ‘ 已” 吕， ’ 吕 吕 ” ” 吕场 一 奋 肠 无

续表 多 心 G30% 无Co 性 10% 15% 20% 25% 30% 40% ForNi e4:1 抗膏强度 kg/mm2 107 92 133 138 178 182 183 185 210 231 178 161 烧结态 抗弯置度 kg/mm* 164 190 183 192 200 201 220 238 座火态 注，①Aa Bb Ce Dd Ee F为合童痛号 ②A B C D E F痛号的合金，Fo/Co/N1配比是相同的。 ③bcde躺号的合鱼，Fe/Co/Ni配比是相同的. 抗霄强度 硬度 90 240F 220 88 200 8 130 160 86 85 140 120 84 100 83 82 15 20 25 30 35 40 。一Fc/Co/N-种比 a一Fe,'Co/Ni另一种配比 图3粘结相含量对Wc-Fc/Co/Ni合金抗弯强度和硬度的影响 (2)WC-Fe/Co/Ni硬质合金与WC-Co、WC-Fe/Ni硬质合金的比较： 从以上图表可知，WC-Fε/Co/Ni硬质合金的抗弯强度与粘结相含量的关系与WC-Co 硬质合金相似，即随着粘结相含量的增加，合金的抗弯强度逐渐提高，当粘结相含量增加 到一定时，合金的抗弯强度达最大值，这时，如果继续增加粘结相含量，合金的抗弯强度 将下降。 表2 合 WC-Co WC-Fe/Co/NI WC-Fe/NI 生名 能 粘结相含量10 25 o 25 30 30 便 度 88.04 81,8 88.586.1 84.5 76.2 乎 弯强度 147 182.2 107 183 210 151 由图3可知，WC-Fe/Co/Ni硬质合金的硬度与粘结相含量的关系也与WC-Co硬质 合金相似，即合金的硬度随粘结相含量的增多而下降。 WC-Fe/Co/Ni硬质合金径热处理后的硬度、抗弯强度都提高。抗弯强度的提高最大 118

续表 无 一舀一 ，﹃的舀︸甘 肠一一 一必月 口‘品自 拢唱烧一，挑淬 吧﹄生些火 度吕奋一名鑫 注 ① ‘ 为 合全摘号 ⑧人 摘 号 的合金 ， 。 配 比 是相 同 的 。 ③ ‘ 编 号 的合 金 ， 。 ‘配 比 是 翻 同 的 。 一 抗甸强度 赵比军己 八已 甘月匕了﹄﹄ 甘目 甘︸ 。翻怡 石内 几，臼合吸︸月 勺品﹄ 自臼‘ ”几自 ‘ 加的 翻眼粉探 － 。 伙 ’ 一 种配 比 一 一。 。 另一种配 眨 图 枯 结 相含 对 。 一 。 合 金 抗 弯强 度和 硬 度 的 形响 一 硬质合金与 一 、 一 硬质合金 的比较 从以上图表可知 ， 一 硬质合金 的抗弯强度与粘结相含量的关系与 一 硬 质合金 相似 ， 即随着粘结相含量 的增加 ， 合金 的抗弯强度逐渐提 高 ， 当粘结相含量增 加 到一定 时 ， 合金 的抗弯强度 达最大值 ， 这时 ， 如果继续增加粘结相含量 ， 合金 的抗弯强度 将下降 。 衰 、 资 一 合 金 一 。 一 一 ‘ 翻 寿、 “ 粘绪相 含 一 多 、 、 能 怕 用 目 “ “ ‘ ’ “ ‘ 砚 度 杭 考 弧 度 一 。 一 。 一 。 。 由图 可 知 ， 一 硬质合金的 硬度与 粘结相含量的关系也与 一 。 硬 质 合 金相 似 ， 即合金 的硬度随 粘结相含量的增多而 下降 。 一 硬质合金 径热 处理后的硬度 、 抗弯强度都提 高 。 抗 弯强度的 提 高最 大

101325KU 图4Wc-Fe/Co/Ni合金显微组织 A一粘结相含量10% B一粘结相含量20% C一粘结相含盈30% 时可达38%(b合金)，硬度提高最大时可达4%(C合金)。 严格控制合金的成份，并对WC-Fe/Co/Ni合金进行热处理，WC-Fe/Co/Ni硬质合 金的综合性能要比WC-Co硬质合金综合性能好。 讨论与分析 WC-Fe/Ce/Ni硬质合金的性能可在一个大的范围内变化（表1），这主要取决于粘结 相的含量、粘结相的成分、粘结相的结构和碳化钨晶粒的大小。 从电镜照片看出（图4），当粘结相含量较少时，WC晶粒互相连接形成一个连续的、 网络式的骨架，而粘结相只能分布在一个个孤立的、被WC骨架隔离开的空穴中。当合金 受到外应力时，则骨架将承担起大部分的应力，由于粘结相层分散、稀薄、很难产生塑性 变形来松驰应力集中，此时，合金将表现出典型的脆性断裂，合金的抗弯强度大大降低。 由于合金大部分由硬质相组成，且WC晶粒细小密实，连成一个较坚固的骨架，所以合金 的硬度很高。 随着粘结相含量的增多，连续的WC骨架被破坏了，WC晶粒逐渐被连续的粘结相层 所包围。而且，随粘结相增多，烧结时液相量增多，合金中出现个别由于溶解一析出而长 得较大的晶粒，但大部分仍为细小的晶粒均匀地分布在粘结相基底上，颗粒之间的距离增 大。当合金受到变形作用，则WC晶粒的变形就能与粘结层的变形较好地协调，使得新产 生的应力集中得以松驰，减慢了微裂纹的护展，这时合金就表现出较高的抗弯强度。硬质 合金强度理论(3)告诉我们，粘结相体积分数较大的细晶粒合金，对应力松驰的能力也 大，因此平均自由路程越大，碳化钨晶粒越细的合金强度越高，韧性更大。 在WC-Co硬质合金中(4)，当C0含量较低时，薄薄的钻层包围着碳化钨晶粒的边界， 但并不导致塑性变形。采用增加钻含量的方法可以提高合金的塑性，从而使应力消除，在 脆性断裂的情沉下，提高合金的强度。当碳化钨晶粒之间不存在连续骨架时，钴含量的增 119

黔獭蒸熬薰 一粘结 相 含盆 图 。 一 。 合 金 显 微 组 织 一枯结相 含 皿 匆 一枯 结 相 含盈 时可 达 合 金 ， 硬度提 高最大 时可 达 合 金 。 严格控 制合金的成份 ， 并对 一 合金进行热处理 ， 一 硬 质 合 金的综合性能 要比 一 硬 质合金综合 性能好 。 讨 论 与 分 析 一 硬质合金的 性能可在一 个大的 范围 内变化 表 ， 这主要取 决于粘 结 相的含量 、 粘结相的成 分 、 粘结相的 结构和 碳化钨晶粒的大小 。 从 电镜照片看 出 图 ， 当粘 结相 含量较少 时 ， 晶粒互相 连接形成 一 个连续 的 、 网 络式的 骨架 ， 而 粘结相只能分 布在 一 个个孤立 的 、 被 骨架 隔离 开的 空穴 中 。 当合 金 受到外应力 时 ， 则 骨架将承担起 大部 分的应力 ， 由于粘结相层 分散 、 稀 薄 、 很 难 产生塑性 变形来松驰 应力集 中 ， 此时 ， 合 金将表现 出典型 的脆性断裂 ， 合金 的 抗 弯强 度大大降低 。 由于合金大部 分 由硬质相组成 ， 且 晶粒细 小密 实 ， 连成一 个较坚 固的 骨架 ， 所以合 金 的硬度很 高 。 随着粘结相含量 的增多 ， 连续的 ，骨架被破坏了 ， 晶粒逐渐被连续的 粘 结 相 层 所包围 。 而 且 ， 随粘结 相增 多 ， 烧结时 液相量增 多 ， 合金 中出现个别 由于溶解一析 出而长 得较大的 晶粒 ， 但 大 部 分 仍 为细小 的 晶粒均匀地 分 布在粘结相基底 上 ， 颗 粒之间 的 距离增 大 。 当合金 受到 变形作 用 ， 则 晶粒的 变形就 能与粘结层 的 变形较好地协调 ， 使得新 产 生的应力集 中得 以松 驰 ， 减慢了微裂 纹的扩 展 ， 这时合金 就表现 出较高的 抗弯强 度 。 硬质 合金强度理论 告诉我 们 ， 粘结相体积分 数较大 的细 晶粒合金 ， 对应力松驰 的 能 力 也 大 ， 因此平均 自 由路 程越 大 ， 碳化钨晶粒越 细的合 金强度越 高 ， 韧性更 大 。 在 一 更质合 金 中 ， 当 。 含量较低时 ， 薄 薄的 钻 层包围 着碳化钨 晶 粒的 边 界 ， 但并不导致塑 性 变形 。 采 用 增加钻含量 的方 法可 以提 高合 金 的塑性 ， 从而 使 应力消除 ， 在 脆性断裂的情 况 下 ， 提 高合 金 的 强度 。 当碳化钨 晶拉之 间不存在 连续骨架时 ， 钻 含量的增

加可以促使合金强度急剧地提高。因为随着钴含量的 增多都可以提高合金的塑性，使得内应力松弛，从而 提高合金的强度。这个原理我们认为对于WC-Fe/Co /Ni硬质合金也是适用的。 如果粘结相含量再增加，液相量也增加，溶解一 析出过程更易进行，碳化鸽晶粒就有长大的趋势（图 5),合金的抗弯强度也逐渐下降。 从研究结果（表2）可以看出，WC-Fe/Co/Ni硬 质合金比WC-Co硬质合金具有优良的综合性能。 从电镜照片上看出（图），WC-Fe/Co/Ni硬质合 金的晶粒明显地小于WC-Co硬质合金。这两种合金晶 粒度的差别使得我们能够解释它们性能上的差别。根 据硬质合金强度理论(3)，当粘结相含量较低时，细 图6Wc-40%Fe/Co/N1合金组织 晶粒碳化钨制得的合金抗弯强度较低，而粗晶粒碳化 92 29 WC-10%Fe/Co/NI WC-10%Co WC-25%F©/Co/NI WC-25%Co 图6品粒度比较 120

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