D01:10.13374f.issnl00103x.1998.04.003 第20卷第4期 北京科技大学学报 Vol.20 No.4 1998年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1998 WC-Ni-Fe)伪二元系局部相图的测定 * 张丽英”吴庆华2) 吴成义) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)衣业机械化科学研究院，北京100083 摘要用光学显微镜、电子显微镜、图像仪、X射线衍射相分析、热差分析等综合方法，研究了 WC(Ni-F)系合金，在WC含量（质量分数为6%~38%）范用内的伪二元系相图特征.同时研究 了WC在y相中的最高溶解度和室温溶解度数据，结果表明，WC-(Ni-F©)伪二元系相图仍属于典 型的二元共晶型相图，y相中的溶解度随温度而变化，共晶温度下最大溶解度（质量分数）为 11.2%,室温时最大溶解度为9.01%. 关键词硬质合金：相图；伪二元合金系；溶解度 分类号TG引13.14 世界各国，从50年代开始均在开发以Ni代钴或完全无钴的新型硬质合金1~).目前，我 国已有较多厂家开始生产这种合金，其性能已基本达到WC-C0系硬质合金的各项指标，有些 成分的合金，其抗弯强度和硬度超过了同牌号有钴合金的性能，但是，在研究中发现了与重结 晶有关的晶粒缓慢长大等现象，这些现象显然是与WC-i,WC-Ni-Fe伪二元系相图的基本参 数有关.然而有关这方面资料报导得很少，本文在前人的基础上重点研究了WC-(Ni-F) 系伪二元合金，在WC(6%~38%质量分数)范围内，相图的局部特征，并测定了WC在粘结相 γ相)中的溶解度变化 1试验内容及方法 1.1试验装置 石英罩出气管 钨铼热电偶 (I)WC-(i-F)合金熔点测定及热分析装置.有 关WC-(Ni-F)合金熔点及热分析的测定方法及装置 保温层 高频感应圈 报道得很少，现有的资料a,仅仅报道了WC-Co系、 WC-Ni系的局部测定结果，无法借鉴和比较.为了测 石英乳 Al2O 隔热屏 定WC-(N-Fe)系合金的熔点及热分析曲线，作者设发一 口 AlO 计了如图1所示的装置. 绝热板 氧化钙坩埚 A,O支承管 合金按试验要求成分，以粉末状混合，压制成中 20mm×14mm块状，经钮扣炉（电弧）熔炼成合金 网 色密封图 块；再放人到图1中的氧化钙坩锅中，用特制的钨管 进气管 (内径40mm,壁厚4mm)作发热体. 图1热分析装置 1997-09-23收稿张丽英女，54岁，副教授 ·园家“863”资助项目
DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 04. 003
·322· 北京科技大学学报 1998年第4哪 炉膛内有3层A1,O,隔热屏，上部隔热板中心有孔，供钨铼热电偶或铂铑热电偶随时插人 并直接进人金属液中，石英罩和感应圈装卸很方便，合金加热熔化并过热到1700℃保温，将 热电偶插入合金液中，并用X-Y记录仪和U小-306 电位差计测定合金冷却曲线即可获得各种合金的 WC{6%-40%) D 熔点数据及热分析曲线， (2)合金熔炼及急冷凝固试样制备.熔炼温度 需高达1750℃，采用了50kW氩气保护（预真空 1.2×10-Pa)、钨极、直流“钮扣炉”快速熔炼，水 y+WC 冷铜坩锅急冷凝固的方法制备合金试样.为保证 合金成分均匀熔炼时间大于15min.有关原材料 的技术条件及各种合金的成分，熔炼工艺参数，见 Ni-Fe WC 表1和表2，WC-Ni伪二元系相图见图2. 图2WC一Ni伪元系相图 表1原料粉末技术条件 原料名称 化学组成（质量数分）% 粉未粒度（费氏）/μm WC粉 wC>99.9:游高碳≤0.05；总碳6.0 2.5 羰基N粉 Ni>99.5;C<0.03;02<0.08 2.0 羰基Fe粉 Fe>99.4;C<0.03;0<0.25 2.0 表2代号1~15合金成分（质量分数） o 合金 2 3 45 678 9 101112131415 WC 4 68 9 101111.312.613 1517 1927 3739 NiFe 969492 91908988.787.487858381 73 63 61 Ni/Fe比值 7/37137/37137137/37/37/37/37/37/37/37/37137/3 高温熔炼急冷凝固的合金试样，一部分用于热分析试样，另一部分经线切割制备金相试 样和X射线衍射分析样，并作为合金在高温状态下组成物的测定试样. 各种合金在室温时的组成物测定试样，是用同一合金试样，经1000,850,650℃各3h连 续退火后，缓冷至室温再制备金相试样，用电镜，图像仪和X射线衍射分析等方法，测定室温 下合金的相组成物及含量， 1.2研究内容与方法 (1)WC(6%~38%)区域内合金成分与组成物关系.为了在WC(6%~38%)的成分范围 内，测定共晶系相图的基本特征，以文献[4]报导的WC相图为基本图形，按表2所列合金 成分及熔炼工艺，制备了合金试样，并利用该试样系统地测定各合金的冷却曲线，组织结构及 组成物特征.熔炼工艺为：试样质量为30g:熔炼温度1650-1700℃；氩气保护；时间>15 min;水冷铜坩埚冷却， 由冷却曲线的拐点(a、b)数据（见图3）可侧得DADC'曲线位置，通过合金成分与组成物 定量测定数据，确定y区及，A,C点（见图2）数据，从而确定在6%~38%范围内各相区的边界 即局部相图. (2)WC在y相中不同温度下的溶解度，为了测定WC在y相中不同温度下的溶解度，按A
Vol.20 No.4 张丽英等：WC-(i-e)伪二元系局部相图测定 ·323· 点成分配制合金，经高温熔炼急冷凝固后，测定WC在 y相中的最高溶解度，然后将试样分成5组（每组10 个)，在氩气保护下加热到1300℃保温4h,随后在1 000,850,600℃下恒温冷却8h,最后用水冷却，将一部 分试样制备成金相试样，另一部分用电解剥离的方法， 在分析天平上测定试样电解后残留的WC含量，并用 式W,=W共一W计算WC含量（式中，W,为y相中在 温度1时的WC含量；W:为在共晶温度下，WC在y相 中的最大含量.W为在温度1时WC从y相中析出的 量，即电解剥离量)，从而可计算出A点合金在不同温 合金成分 度下WC的析出量以及AB固相线的位置 图3热分析曲线的折点(4，b)与DC, DA线关系 2试验结果及讨论 2.1 热分析曲线与DC,DA线位置 应当指出，在WC含量较低（质量分数为4%~8%）时冷却曲线上的a,b两点温差较小，试 验中必须保证在冷速很慢(<0.2℃/min)的情况下，才能测出；而且要求电位差计的测量误差 <±0.5℃，测温热电偶必须采用2组串联法以提高测量的热电势数据，并按式E=E/N计算 热电势，式中，E”为实际温度对应的热电势，N为串联的热电偶数，E为N组热电偶产生的总 热电势. 由表3的数据可以绘制出相图的局部相区，即DA,DC线，见图3，并可确定出在共晶温度 下WC在y相中的最大溶解度，即A点的WC为11.2%. 表3热分析曲线数据 合金代号 T1℃ T,T/℃合金相组成 合金代号 TIC T.Th/C 合金相组成 1 1450.5 1448.5 9 1435.0 1419.0 y片共晶 2 1448.5 1446.5 10 1430.0 1419.0 y+共晶 3 1447.0 1445.5 11 1427.0 1419.0 +共品 4 1445.5 1440.0 Y 12 1425.0 1419.0 y+共品 5 1443.5 1436.0 13 1423.0 1419.0 y一共晶 6 1440.5 1430.0 14 1422.0 1419.0 y+共品 7 1438.0 1419.0 15 1419.0 1419.0 +共品 8 1437.0 1419.0y+共晶（微量） 注：合金1~15为W,一a.合金1一6为h,~h,合金7I5为d~ 2.2WC(6%~40%)成分范围内合金的组织及相组成 图4~7为WC含量为(6%~40%)合金的组织照片，其中图4是WC(I1.3%)-(Ni-Fe)合 金的组织特征，由图4可以看出，大部分WC已溶解到(Ni-「)为基的y相基体中，在合金液冷 凝时，首先析出y相，残留的共品液相被排斥到品界，直至合金液完全凝固时仍残留有微量的 共晶相，说明A点的WC含量稍有过量，实断测得的1点的WC含量为1.2%.此点即为共晶 温度下WC在y相中的最大溶解度，当WC含量超过11.2%时合金的显微组织均为y+共晶体
·324· 北京科技大学学报 1998年第4期 (WC+y,),见图4~7，而且共晶体(WC+y,)的含量是随WC含量增大而增加. 图4WC(11.3%+Ni-Fe)73(余量) 图5WC(13%)+Ni-Fe)7/3(余量) 1700℃熔化、急冷，硝酸酒精，+微量共晶 1700C溶化，急冷，同图4，+共晶 图6WC(27%)+(Ni-Fe)7/3(余量) 图7WC(39%)+(Ni-Fe)7/3(余量) 同图4，共晶体+y相 同图4，共晶+WC相（微量） 当WC含量达到39%合金冷却时自液相中直 接析出了一次WC相，说明在共晶点处，WC的最大 含量小于39%.实测含量为38.6%.这点与文献[4] 1451 数据有差别.应当指出的是在共晶线AC以下的温 1419℃ 度区内，没有测得(L+Y+WC)的三相区，而文献 11.2% [4]中认为有三相区，其原因可能与Ni-Fe基体合金 S1000 成分不同有关， 850 y-WC 600 根据表3和表4数据可绘制出WC-(Ni-Fe)伪二 元系局部相图见图8. 200 9.01% 表4是用电解剥离法测得的不同温度下y相中 (Ni-Fe) 20 40 60 的WC含量.由表可以看出，随着温度降低，相中 Wwc/% 图8WC-(Ni-FC)7/3伪二元系局部相图 表4y相中不同温度时WC的溶解度 T/c 14I9共晶点) 1000 850 600 (室温)25 y相中WC溶解度/% 11.20 10.12 9.78 9.18 9.01
Vol.20 No.4 张丽英等：WC-(Ni-Fe)伪二元系局部相图测定 ·325· WC的溶解度由共晶点时的11.2%降到室温时的9.01%. 3结论 (1)WC-(Ni-Fe)伪二元系相图，仍属于典型的二元共晶型相图.共晶点处WC含量（质量 分数)为11.2%， (2)WC在Y相中的溶解度随温度而变化.在共晶温度时，WC在y相中的最大溶解度为 11.2%(A点)：在室温时，WC在y相中的最大溶解度为9.01%. 参考文献 1株州硬质合金厂著.硬质合金的生产.北京：冶金工业出版社，1974.6 2国外硬质合金编写组编.国外硬质合金.北京：冶金工业出版社，1976.12 3吉田邦彦著.超硬工具.东京都千代区：日刊工业新闻出版社，1977.9 4 TpeTbAKoB B M.MeraokepaMnyeckne TBepabie CnnaBbl.Mockan:MeTatyprn3naT,1961.93 5陈兆盈，李燕.稀土金属钇对WC-N硬质合金性能的影响.硬质合金，1984,16(4)：25 6孙宝琪.我国中小硬质合金企业的发展及前景研究.粉末冶金材料科学与工程，1997,12(1)：18 Determination of the Local Phase Diagram in WC-(Ni-Fe)Pseudo-Binary System Zhang Liying Wu Qinghua Wu Chengvi 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083 China 2)Beijing Research Institute of Agricultural Mechanic Science,Beijing 100083 ABSTRACT The characteristics of local phase diagram in WC-(Ni-Fe)pseudo binary system were studied by means of optical microscope,SEM,X-ray diffraction and thermal-analysis.The maximum solubility and the solubility at room temperature of WC in y phase were also measured.The results show that WC-(Ni-Fe)pseudo binary system is still a typical WC-(Ni-Fe)eutectic phase diagram.The eutectic temperature is 1 419C.The solubility of WC in y phase varies with temperature.The maximum solubility at eutectic temperature is 11.2%and the solubility at room temperature is 9.01%. KEY WORDS hard alloy;phase diagram;pseudo-binary system;solubility