Cr含量对超粗WC-Fe-Ni硬质合金微观组织及性能的影响

肖颖奕 张帆 张金祥 文小强 普建

（赣州有色冶金研究所 江西省钨与稀土功能合金材料工程实验室 赣州 341000）

0 引言

硬质合金是由金属碳化物作为硬质相，粘结金属如Co、Ni 等作为粘结相，经粉末冶金法制备而成。因此，硬质合金具有高硬度、高强度、耐磨性好等特性，广泛地被应用于切削工具、耐磨部件、采矿工具等，是现代社会发展的重要性工具材料[1，2]。传统WC-Co 硬质合金具有优异的力学性能，在硬质合金应用领域占据着重要的地位与作用。然而随着现代工业科技的发展，传统硬质合金在某些方面已呈现出不足[3]。此外，Co 金属作为战略资源，具有一定的稀缺性。因此，替代Co 硬质合金的研发已成为目前硬质合金行业的研究热点。

与金属Co同族的金属元素Fe、Ni被认为最为合适的替代选择。然而用Fe代替Co作为粘结相时，由于Fe对WC的润湿性相对较差、两相区狭窄，难以获得理想的合金组织与性能。Ni 对硬质相WC 具有良好的润湿性，添加适量的Ni 可以明显地提高合金性能。同时，添加其他合金元素，也可进一步强化并提升合金性能，如Mo、Cr、Si、Nb 等元素也具有很好的固溶强化效果。

超粗晶硬质合金是目前世界硬质合金主要技术进展代表之一，广泛用于采矿、凿岩、轧辊等地矿领域，呈现出从单纯的材料制备技术向注重材料应用研究转变的趋势，市场前景广阔。为获得适合地矿用的铁镍基硬质合金，本项目采用超粗WC粉末制备粗晶铁镍基硬质合金，利用超粗WC 粉结构缺陷小、显微硬度高、微观应变小等优点，采用低压烧结的方式制备了WC-Fe-Ni-Cr硬质合金。通过对合金的微观结构和力学性能进行研究，研究分析了不同Cr 的添加量对硬质合金组织性能的影响，旨在为制备高性能超粗晶硬质合金提供优化参考。

1 实验

1.1 样品制备

图1 主要原料粉末SEM形貌

本文中所制备WC-Fe-Ni-Cr硬质合金使用的原料粉末为超粗WC粉、羰基Ni粉、羰基Fe粉、Cr粉，碳黑，其中超粗WC粉为自贡硬质合金有限责任公司生产，羰基Ni 粉、羰基Fe 粉为金川股份有限公司生产。实验所需主要原料的微观形貌如图1所示，各原料粉末的检测性能参数如表1所示。可见，本实验中所采用的粉末形貌较为均匀，粒度尺寸搭配合理，纯度、含氧量均在正常范围内。

表1 原料粉末性能参数

实验选取WC-Fe-Ni硬质合金作为成分基体，合金中Fe-Ni粘结相总量为12.0 wt%，铁镍比为1∶1，Cr粉添加量分别为0～1wt%，相应的合金成分设计见表2。由于WC-Fe-Ni 硬质合金的两相区范围较窄，在结合各原料粉末中碳含量及氧含量的基础上，也相应增补了适量碳，以优化控制合金的组织结构。

本文中WC-Fe-Ni硬质合金制备工艺为：在硬质合金球磨罐中氩气气氛保护下，用Φ10.0 mm+Φ6.0 mm 硬质合金球组合作为研磨球，添加2 wt%的PEG成型剂，在无水乙醇中以150r/min 的转速连续球磨18h，其中Φ10.0 mm：Φ6.0 mm 硬质合金球质量比为2.5∶1，硬质合金球与原料质量比3∶1。球磨完成后，将混合料经70℃真空干燥2 h得到干燥粉末，再经40目筛网过筛并模压成形，最终在COD 733RL-64bar型低压烧结炉中进行脱蜡、烧结（烧结温度为1410 ℃，保温时间60 min，保压压力5 MPa）。

表2 合金成分设计

1.2 检测分析

采用尼康LV1500 光学显微镜观察合金的金相组织结构，腐蚀剂为10%氢氧化钠+10%铁氰化钾溶液；采用MIRA3 LMH 扫描电镜观察合金的微观形貌；采用阿基米德排水法（ISO 18754）测定合金试样的密度；采用洛氏硬度计（FR-3R）测试硬质合金硬度，加载力为60kg；按GB/T3851-1983 标准，使用WDW-100 万能力学试验机进行测试样品的三点抗弯强度，跨距为14.5mm。

2 结果分析与讨论

2.1 微观组织结构

图2 所示为样品a 球磨混合干燥后不同放大倍数的扫描电镜照片。在图2-a中可以看到，显示区域内粉末混合较为均匀，各原料粉末（如箭头所示）均保持了原有形态，说明球磨效果良好。图2-b为相应图2-a中白色虚线框放大区域，可见球形Fe粉、片状Ni 粉以及超粗WC 粉均粒度完整，混合均匀，有利于在后续液相烧结过程中抑制“铁镍池”，并促进（Fe，Ni）粘结相的均匀分布。

图2 混合粉末的SEM形貌

图3所示为三个不同Cr含量的WC-Fe-Ni-Cr合金的金相组织照片。图中三个合金的微观组织均具有形貌相似的两相结构，由大尺寸晶粒WC 和（Fe，Ni）粘结相组成。同时，可见合金中不同Cr 含量（0%、0.5%、1%）的添加对于合金组织并没有明显改变。当Cr 添加量为0.5%时，合金b 中粗颗粒WC 尺寸与数量略有降低，Cr添加量为1%时，合金c中粗颗粒WC尺寸与数量反而增加。由此可知，Cr含量少量添加时对合金WC 晶粒度影响较小，但添加量达到1%时，能略微促进合金中WC晶粒的长大。

图3 不同Cr含量下WC-Fe-Ni-Cr合金的金相组织照片

2.2 力学性能

不同Cr 含量的三个合金的硬度、抗弯强度、WC晶粒度、密度与孔隙检测数据，如表3所示可知，所有合金孔隙均达到A02 B00 C00水平，仅存在极少量的A 类孔隙，WC平均晶粒度均为4.5μm，硬度在84.5HRA附近波动，抗弯强度在2100-2500MPa之间。

图4为不同Cr含量对WC-Fe-Ni-Cr合金硬度、密度变化影响。合金的硬度如图4中圆点连续折线所示，三个不同Cr含量的合金硬度较为稳定，均在85HRA附近波动。根据Hall-Petch公式：

公式（1）中，σ为屈服强度，σ0为单晶屈服强度，k是常数，d为晶粒尺寸。

因此，合金的硬度与晶粒尺寸有着密切关系。这里由于Cr 的添加对晶粒尺寸影响较小，三个合金中晶粒尺寸均为4.5μm，致使合金中的硬度都较为接近。而合金的密度如方点连续折线所示，会随着Cr含量的增加而逐渐降低，由合金a中14.10g·cm-3均匀减少到合金c 中14.00g·cm-3。因此，随着Cr 含量的增加会降低合金的密度，但对合金晶粒度及硬度影响较小。

表3 合金成分设计 wt/%

图4 不同Cr含量下WC-Fe-Ni-Cr合金的密度与孔隙率

硬质合金的抗弯强度是衡量合金中晶粒尺寸、致密度、粘结相强度等性能的重要标准。如图5 所示，随着合金中Cr含量的增加，抗弯强度从合金a的2190MPa增加到合金c的2460MPa，这可能是由于Cr的添加对（Fe，Ni）粘结相具有固溶强化效果，提升了粘结相的强度，从而促使合金的抗弯强度升高。总体来看，Cr 含量的增加对超粗晶硬质合金晶粒度及硬度影响较小，但也能一定程度上提高抗弯强度。

图5 不同Cr含量下WC-Fe-Ni-Cr合金的抗弯强度

3 结论

本文制备了WC-Fe-Ni-Cr 硬质合金，通过对合金的微观结构和力学性能进行研究，分析了合金中Cr的含量对硬质合金组织性能的影响，得出以下结论：

(1) Cr 的添加对超粗晶硬质合金的微观组织结构影响较小，所制备的WC-Fe-Ni-Cr 硬质合金均为WC+(Fe，Ni)两相结构，随着Cr含量的增加，能略微促进合金中WC晶粒的长大。

(2)随着Cr 在WC-Fe-Ni 合金中的含量增加，会逐步降低合金的密度，但对合金晶粒度尺寸及硬度影响较小，但也能一定程度上提高抗弯强度。当Cr添加量为1.0wt%时，合金具有最佳的力学性能，硬度为84.6HRA，抗弯强度为2460MPa。