李 力，陈 慧，姜中涛，陈巧旺，涂铭旌

(1.重庆文理学院材料交叉学科研究中心，重庆 永川 402160;2.重庆市高校微纳米材料工程与技术重点实验室，重庆 永川 402160)

随着加工工业的发展，现代刀具材料向着高精度、高速切削、干式切削和降低成本等方向发展.硬质合金以其优良的性能正在更多的场合替代其他的刀具材料.发达国家90﹪以上的车刀和55﹪以上的铣刀都采用硬质合金材料，而且比重仍在增加.

现阶段国内外比较常用的硬质合金刀具采用的是WC基硬质合金，近年来又出现了梯度硬质合金、超细晶粒硬质合金、涂层硬质合金等刀具新品种［1］.TaC作为一种硬质合金的高效添加剂，近年来成为刀具材料研究的一个热点.本文的研究内容为含TaC的高效硬质合金刀具材料的制备提供数据参考.

1 测试方法与试样制备

1.1 合金粉体的制备

本试验的主要原料是各种粉体，其基本参数和主要化学成分如表1所示.

表1 原料粉体的基本参数

TaC与Y2O3粉末的颗粒形貌如图1所示.

图1 粉末颗粒形貌

球磨介质采用无水乙醇，符合GB679-95要求，纯度为99.5﹪.成型剂采用高纯度切片石蜡，符合GB446-84要求.每100 g粉料加入50 ml无水乙醇和2 wt﹪的石蜡(石蜡在球磨结束前4 h加入)，球料比为5∶1.复合粉料经过72 h球磨后，放入真空干燥箱中烘干，初始真空度设定为0.05 MPa，后增加到0.02 MPa.待粉料完全干燥后，过320目筛后制成试验所需复合粉体.

1.2 合金粉体的粒度测试

使用LA-950激光散射粒度分布分析仪对复合粉料进行粒度测试.测试结果表明，粉体经过72 h高能球磨后，平均粒径为270 nm.尺寸小于100 nm的颗粒占22.47﹪，尺寸大于500 nm的颗粒占8.79﹪，大部分颗粒的尺寸处于超细粉体范围.

1.3 样品的制备

本试验采用FZJ160全自动粉末压机制备试样，成型压力为45 MPa，压坯密度为6.46 gcm3.试样在ZYL-ZA100单体真空脱蜡烧结炉中在1 380℃下烧结1 h制得硬质合金试样.试样编号和成分如下:

1#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3);2#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3、0.2TaC);3#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3、0.4TaC);4#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3、0.8TaC);5#WC-10Co(0.2Nd2O3、0.2Y2O3、1.0TaC).

1.4 测试方法

力学性能方面，本试验采用阿基米德法测试试样的密度，取3个试样的平均值作为试样的密度(gcm3).根据GB3849-83规定，使用HRSS-150型数显全洛氏硬度计测试试样硬度，每个试样测试3个点，取其平均值作为试样的硬度(HRA).根据GB3851-83规定，采取3点弯曲法使用SHT4305微机控制电液伺服万能试验机测试试样的横向断裂强度(TRS).试样为B型试样，试样尺寸为20 mm×6.5 mm×5 mm.

磁性能方面，本试验采用AComT钴磁测量仪测试试样的磁性钴含量，采用YSK-3矫顽磁力计测试试样的磁矫顽力(Hc).

微观结构方面，本试验采用德国徕卡DMI3000M型金相显微镜和美国FEIQuanta250型扫描电镜对试样断口进行显微结构表征，以判断合金的孔隙度与晶粒尺寸.

2 试验结果与分析

2.1 TaC对合金密度的影响

试样的密度和合金中TaC含量之间的关系如图2所示.

图2 TaC含量对试样密度的影响

如图2所示，合金密度随着TaC含量的增加而下降.当TaC含量小于0.4﹪时，密度略微下降，而当TaC含量大于0.6﹪时，密度明显下降.在烧结过程当中，过多的TaC会对液相的流动性和烧结致密化过程有不利的影响.

2.2 TaC对合金硬度和TRS的影响

测试结果如图3所示.当TaC的含量在0.4﹪～0.6﹪之间时，合金的硬度有明显的提升，但TaC含量大于0.6﹪时，合金的硬度急剧下降.而且当TaC含量为1﹪时，合金的硬度甚至低于不含TaC的试样.

图3 TaC含量对试样硬度和TRS的影响

在球磨过程中，TaC被吸附于WC晶体的表面，导致部分WC晶粒被单分子形态TaC包覆.这种单分子层阻止了相邻WC晶粒接触长大.同时，TaC优先溶解于液相钴当中，抑制了WC在液相钴中的溶解，WC溶解再结晶长大的过程也在很大程度上被抑制了.因此，TaC的加入可以有效地抑制WC晶粒长大，而细化晶粒导致了合金硬度值的上升.但当TaC含量超过了其在液相钴中的溶解度时，将会析出蜂巢状(Ta，W)C固溶体，并以游离态形式存在，这是导致合金硬度下降的主要原因［2］.

图3中也显示出，在TaC含量小于0.4﹪时，合金的TRS随TaC含量的增加而上升，在TaC含量为0.4﹪时达到最大值2 770 MPa.但当TaC含量超过0.4﹪时，合金的TRS下降.如果合金中加入过多的TaC，将会导致WC/WC晶界的脆化.另外，析出的(Ta，W)C固溶相与合金的硬质相之间存在明显的强度差异，这些都使合金的TRS下降.

高温时(1 300℃)TaC在液相中的溶解度比室温时高许多.如果TaC的含量高于室温下在液相钴中的溶解度而又低于高温下在液相钴中的溶解度，则合金在降温过程中将析出(Ta，W)C，这将对合金的强韧化效果有不利影响.另外，S、O、Ca、Mg等杂质元素的富集、合金内微孔、粗大WC晶粒和粘结相的聚集都会对合金强度产生不利影响.所以，降低合金空隙度和细化晶粒是提升硬质合金强度的重要方法［3］.

2.3 TaC对合金矫顽磁力(Hc)和磁性钴含量(Com)的影响

如图4所示，试样的Com随着TaC含量的增加而下降.当TaC含量在0.4﹪～1.0﹪之间时，试样的Com接近80﹪，而且下降趋势较小，这表明合金中的碳含量正常.TaC的加入减少了固溶体中WC的γ相含量，而提升了C的γ相含量，所以添加TaC可以轻微改善合金的含碳量.当合金粘结相中的碳含量增加而固溶体中WC的γ相含量减少时，合金的磁性钴含量升高.这表明，TaC可以调节碳含量和避免合金缺碳，从而抑制WC晶粒的不连续长大.

图4 TaC含量对试样磁性钴含量和矫顽磁力的影响

固溶体中WC的γ相减少，表明TaC抑制了γ相WC的溶解再结晶反应，从而抑制了WC晶粒的连续性长大.图4还表明，随着TaC含量的增加，试样的Hc先上升而后下降，TaC含量为0.6﹪的试样拥有最高的Hc值，这与硬度的变化趋势相同.

2.4 TaC含量对合金显微结构的影响

对TaC含量为0.6﹪的试样进行金相分析，结果如图5所示.根据GB3489-83，空隙度评为A02，B03，化合碳评为 C00，孔隙度较低.金相中没有发现环形结构缺陷，但是部分钴相富集.这可能导致钴相富集区域与其他区域存在性能差异.具有较高平均自由程的富集区域，将显示出低强度和高韧性.相反，其他区域将显示出高硬度.因为粘结相的平均自由程随着硬质相接触率的升高而下降.TaC以固溶体的形式存在，溶解在粘结相中的Ta元素将在WC/WC晶界富集，这将导致WC/WC晶界脆性结构的产生，使得断裂更加容易发生［4］.

图5 试样的光学金相

用扫描电镜对TaC含量为0.4﹪的试样断口进行分析，结果如图6所示.图上显示合金断裂方式大多为沿晶断裂，在个别大晶粒处发生穿晶断裂，孔隙度较低，在照片中未发现大于1μm的孔洞，平均晶粒度约为0.4μm.重稀土元素(Y)在晶界处富集，净化晶界提升晶界的结合力从而提升合金的断裂强度，而轻稀土元素(Nd)在烧结过程中有向表面迁移的趋势.因稀土元素反应活性强，率先和合金内部杂质元素(S、Ca、Mg)化合，并将其带出合金内部，这有助于提升合金致密度，从而缓解由于TaC的加入而导致的合金密度下降［5］.

图6 试样的SEM断口观测

3 结论

随着TaC含量的增加，合金的密度和磁性钴含量下降，矫顽磁力先增大而后减小，在TaC含量为0.6﹪时达到最大.当TaC含量小于0.6﹪，合金硬度随TaC含量的增加而上升，当TaC含量大于0.6﹪时，硬度明显下降.与不添加TaC的合金相比，TaC含量为0.4﹪合金的横向断裂强度(TRS)有明显提升，而当TaC含量大于0.4﹪时，合金的横向断裂强度(TRS)随TaC含量增加而下降.TaC的加入可以抑制WC晶粒的长大.加入0.4﹪的TaC的合金综合性能最好.

［1］陈巧旺，姜中涛，邓莹，等.梯度硬质合金表面的氮势控制［J］.重庆文理学院学报:自然科学版，2011，30(5):41-43.

［2］李学芳.Ta对(Fi，Ta，W)(C，N)-Co 金属陶瓷的结构和机械性能的影响［J］.国外难溶合金属与硬质材料，2002，18(1):9-12.

［3］Hans-Olof Andrén，Daniele Mari，Göran Wahnström，et al.Chanisms of plastic deformation of WC-Co and Ti(C，N)-WC-Co［J］.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2006，24:145-154.

［4］刘寿荣.WC-Co硬质合金中TaC，Cr3C2添加剂的作用机理［J］.稀有金属材料与工程，1997，26(6):31-35.

［5］袁逸，邬荫芳.稀土对钴基合金及硬质合金的影响［J］. 硬质合金，1994，11(1):1-9.