董洪峰，　郭从盛，　张锋刚

(1.陕西理工大学 材料科学与工程学院， 陕西 汉中 723000；2.陕西省冶金渣资源化利用工程技术研究中心， 陕西 汉中 723000)



添加氧化镧WC-11Co-2.1TaC硬质合金的组织及性能

董洪峰1,2，郭从盛1,2，张锋刚1

(1.陕西理工大学 材料科学与工程学院， 陕西 汉中 723000；2.陕西省冶金渣资源化利用工程技术研究中心， 陕西 汉中 723000)

硬质合金的晶粒度和组织均匀性是制约其性能的关键因素。为了细化晶粒，改善组织，提高合金性能，采用粉末碳化、冷压烧结技术，以W、Co、Ta为原料，La2O3为添加剂，制备WC-11Co-2.1TaC硬质合金，研究添加La2O3对硬质合金组织和力学性能的影响。结果表明：添加0.2%～0.4% La2O3可抑制WC-11Co-2.1TaC硬质合金组织WC晶粒聚集生长，使组织均匀，WC相邻接度减小，WC/Co接触面积增大，提高抗弯强度；当La2O3添加量增加到0.6%时，合金组织偏聚，WC晶粒严重聚集生长，WC相邻接度增大，提高了硬质合金抵抗显微金刚石压头的刻入能力，增大了显微硬度。

硬质合金；氧化镧；邻接度；组织；力学性能

硬质合金[1]是以难熔金属硬质化合物为基体，以金属为粘结相，用粉末冶金方法制备的耐高温、高硬度、高耐磨性材料，广泛用作切削刀具、冲击工具、耐磨耐蚀零部件等。目前，硬质合金刀具仍然在金属切削领域占有重要地位，但是在切削过程中容易发生粘刀和月牙洼磨损等问题[2-3]。张崇才等[4-7]通过在传统硬质合金W-C-Co体系中加入TaC、TiC、NbC等碳化物，提高了合金刀具抗月牙洼磨损和抗刀屑瘤的能力，但上述碳化物添加剂尚未完全解决硬质合金高硬度和高断裂韧性难以同时存在的难题。

晶粒尺寸和组织均匀、连续性是影响硬质合金高温切削性能的关键因素。黄长庚[8]采用两种不同的方式，在WC-10Co硬质合金中添加Y、Ce元素，研究了Y、Ce及其添加方式对硬质合金结构与性能的影响，结果表明，无论以何种方式添加Y2O3或CeO2，最终制备的硬质合金中稀土元素都与氧共存，并以球形颗粒的形式弥散分布于硬质合金的粘结相中，球形、弥散分布的稀土氧化物颗粒会破坏合金结构的连续性，导致合金强度降低。刘超等[9]以不同粒径WC粉、超细Co粉作为原料，通过低压烧结制备WC-Co硬质合金，研究粗晶WC对WC-Co硬质合金组织和性能的影响。结果表明，由于粗晶WC的添加，裂纹在扩展过程中出现了明显的偏转，且穿晶断裂现象明显增多，对裂纹的扩展产生一定的阻力，使硬质合金的韧性提高。LIN N等[10]研究了Mo、Co添加剂对WC-TiC-Ni硬质合金组织、力学、摩擦性能的影响，发现添加Mo、Co可细化WC晶粒，提高合金耐磨性。SHI Kai-hua等[11]在研究Cr添加方式对WC-9Ni-2Cr硬质合金组织和抗腐蚀性能的影响时指出，Cr单质添加剂易产生W、Cr复合碳化物，弱化界面；若以Cr-Cr3C2复合形式加入，可强化晶界，提高合金耐腐蚀性。

基于上述研究成果，本文采用粉末碳化、冷压烧结技术，以W、Co、Ta为原料，La2O3为添加剂，制备WC-11Co-2.1TaC硬质合金，研究添加La2O3对WC晶粒分散、细化及合金力学性能的影响。

1　实　验

1.1WC-11Co-2.1TaC硬质合金制备

研究使用的La2O3(粒度20 nm，纯度99.99%)、Ta(粒度2 μm，纯度99.99%)、Co(粒度2 μm，纯度99.97%)由北京佳铭铂业有限公司生产，W粉(粒度0.8 μm，纯度99.7%)由中航工业陕西硬质合金厂生产。按质量比86.3∶1.6∶2.1称取W、Co、Ta粉，装入行星球磨机，在氩气保护下湿磨26 h(磨球为硬质合金，球料比5∶1，湿磨介质为无水乙醇)。将混合粉烘干后装入碳气氛高温炉中碳化，碳化温度1 450 ℃，在碳化粉中加入质量分数分别为0.0%、0.2%、0.4%、0.6%的La2O3，装入行星球磨机，在相同工艺参数下湿磨16 h。粉末烘干后加入成形剂，装模后用冷压机压制(150 MPa)成20 mm×5 mm×4 mm的坯料，坯料在氢气高温管式炉中脱脂(310 ℃)并烧结成形，烧结温度1 430 ℃，保温1 h，炉冷。

1.2组织及性能检测

试样经打磨抛光后进行组织及性能检测。用FM-7000型自动显微硬度计和AG-10TA型万能力学试验机测量试样硬度和抗弯强度，利用场发射扫描电镜(MERLIN Compact)和波谱仪(WDS)对试样断口和摩擦面进行表面形貌观察和微区成分分析，用X射线衍射仪(UltimaIV)分析断口物相。

2　结果与讨论

2.1WC-11Co-2.1TaC硬质合金的组织结构

图1和图2所示为WC-11Co-2.1TaC硬质合金的显微组织SEM照片和波谱面分析(成分分析)结果。图1中浅灰色相为WC，深灰色相主要为Co，未添加La2O3的硬质合金组织WC相出现聚集长大(黑色虚线框)，晶粒尺寸在0.4～1.5 μm(如图1(a)所示)，W、C和Co元素面分布不均匀(图2(a))；添加0.2% La2O3的硬质合金组织La、O元素偏聚分布(图2(b))，一方面阻碍组织晶粒聚集长大，但由于其不均匀分布影响整个烧结组织的连续性，造成部分WC晶粒异常长大(图1(b)组织WC晶粒尺寸在0.4～3.2 μm)；与添加0.2% La2O3的硬质合金组织相比，添加0.4% La2O3组织的La、O元素分布较均匀，促进WC晶粒同步生长，使组织晶粒均匀分布，WC晶粒尺寸为0.4～3.3 μm(图1(c))；当La2O3添加量增加到0.6%时，La、O元素严重偏聚，恶化硬质合金烧结性能，造成烧结组织的相分布不均匀，WC晶粒严重异常长大(图1(d))。

图1　WC-11Co-2.1TaC硬质合金的显微组织SEM照片

图3所示为WC-11Co-2.1TaC硬质合金的XRD图谱，不同La2O3添加量硬质合金组织主要由WC、Co6W6C、Co7W6、TaC和Co相组成，未添加La2O3的硬质合金组织增加Co3W相，脱碳Co6W6C相峰值较高，可能是因为局部WC晶粒聚集长大造成烧结液相增加，WC/Co过度反应生成Co6W6C相；添加0.6% La2O3的硬质合金组织在衍射角2θ=35.7°的WC纯相峰值明显低于0.0%、0.2%、0.4% La2O3添加量的硬质合金组织，可能是因为La2O3的严重偏聚使组织过烧(由图2中La、O元素面分布情况可知)，一部分WC相形成Co-WC固溶体(XRD图谱未显示)。

图2　WC-11Co-2.1TaC硬质合金的波谱面分析

2.2WC-11Co-2.1TaC硬质合金的晶粒邻接度和力学性能

添加La2O3不仅影响WC晶粒长大，也影响WC/WC的邻接度，进而改变硬质合金的力学性能。硬质合金的邻接度CWC-WC可由式(1)计算[12]：

图3　WC-11Co-2.1TaC硬质合金的XRD图谱

(1)

式中NC/C为金相面上穿过测量直线的WC/WC界面个数，NC/B为穿过测量直线的WC/Co界面个数。计算结果列于表1。

表1　WC-11Co-2.1TaC硬质合金的力学性能和邻接度

如表1所示，与未添加La2O3的硬质合金相比，添加0.2%～0.4% La2O3的硬质合金的邻接度CWC-WC值较小，这归因于La2O3的弥散均匀化作用，调控WC/Co界面的液相烧结反应进程，减小WC晶粒聚集长大；添加0.6% La2O3的硬质合金的邻接度值较未添加La2O3的增大，是因为过多添加La2O3造成组织偏聚，液相烧结过程中WC/Co界面过度反应，WC晶粒聚集长大。

图4　WC-11Co-2.1TaC硬质合金的断口形貌

硬质合金的邻接度CWC-WC值表征了WC/WC的接触面积，若邻接度CWC-WC值较小，则WC/Co的接触面积较大。在硬质合金中，Co与C形成强烈的共价键，Co和W形成强大的金属键，这些键比WC中W/C键结合强度更大[12]，即WC/Co的结合强度比WC/WC结合强度大，所以降低WC/WC邻接度可提高硬质合金的抗弯强度。由于WC相硬度大于Co相硬度，WC晶粒聚集长大提高了硬质合金抵抗显微金刚石压头刻入能力，即增大显微硬度(表1)。硬质合金的邻接度亦影响其断裂形式，如图4所示的WC-11Co-2.1TaC硬质合金断口形貌，添加0.0%和0.6% La2O3的硬质合金的邻接度较大，增大了WC/WC的接触面积，断裂形式主要为脆性的穿晶和沿晶断裂(图4(b)、(h))；相反地，添加0.2%和0.4% La2O3的硬质合金的邻接度较小，增大了WC/Co的接触面积，断裂形式主要为脆性和韧性混合断裂(图4(d)、(f))。

3　结　论

(1)添加0.2%～0.4% La2O3可抑制WC-11Co-2.1TaC硬质合金组织WC晶粒聚集生长，使组织均匀，WC相邻接度减小，WC/Co接触面积增大，但并未显著抑制WC晶粒的异常长大；当La2O3添加量增加到0.6%时，组织偏聚，WC晶粒严重聚集生长，WC相邻接度增大。

(2)与未添加La2O3的硬质合金相比，添加0.2%～0.4% La2O3的硬质合金的邻接度值较小，调控WC/Co界面的液相烧结反应进程，减小WC晶粒聚集长大，增加WC/Co界面面积，提高抗弯强度；添加0.0%和0.6% La2O3的硬质合金的邻接度增大，增大了WC/WC的接触面积，提高了硬质合金抵抗显微金刚石压头的刻入能力，增大了显微硬度。

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[责任编辑：魏 强]

Microstructure and properties of WC-11Co-2.1TaC cemented carbides by adding La2O3

DONG Hong-feng1,2,GUO Cong-sheng1,2,ZHANG Feng-gang1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000, China;2.Shaanxi Engineering and Technology Center of Metallurgical Slag Resource, Hanzhong 723000, China)

Grain size and even structuring of the hard alloy are the two key elements in its performance. In order to refine the grain and the strucure and improve the performance of the alloy, the WC-11Co-2.1TaC cemented carbides are prepared by powder carbonization and cold compaction sintering process. The W and Co and Ta powder are used as raw materials and La2O3as additive. Its aim is to analysis the effect of La2O3on microstructure and properties of WC-11Co-2.1TaC cemented carbides. The result shows that, the clustered growth of WC grain is restrained by La2O3with mass percent of 0.2%～0.4%, which makes microstructure uniform and contiguity of WC phase decreased, therefore, contact area of WC/Co increase and enhance the bending strength. The microstructure segregation of cemented carbides occur, which can result in the clustered growth of WC grain and contiguity of WC phase increased and lead to the improvement of microhardness.

cemented carbides;La2O3;contiguity;microstructure;mechanical properties

1673-2944(2016)05-0001-05

2016-05-06

2016-06-05

陕西省自然科学基础研究计划项目(2015JQ5193)；陕西理工学院人才启动项目(SLGQD13(2)-17)

董洪峰(1985—)，男，黑龙江省海伦市人，陕西理工大学讲师，博士，主要研究方向为超硬复合材料；郭从盛(1958—)，男，陕西省汉中市人，陕西理工大学教授，硕士生导师，主要研究方向为金属材料；张锋刚(1982—)，男，陕西省宝鸡市人，陕西理工大学讲师，博士，主要研究方向为表面工程。

TF125.3

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