Cr3C2/CrN复合添加剂对非均匀结构硬质合金性能的影响

作者：陈玉柏1,3，徐伟2，王燕飞1,3，夏康2，何翕1,3，肖颖奕1,3，杨树忠1,3，汤昌仁2

单位：

1.赣州有色冶金研究所有限公司

2.江西江钨硬质合金有限公司

3.江西省高端特种钨与稀土新材料技术创新中心

关键词：非均匀结构；硬质合金；复合添加剂；Cr3C2/CrN

作者简介：陈玉柏，男，安徽宿州人，博士，高级工程师，本刊中青年编委，主要从事硬质合金材料生产研究工作。

引文格式

[1]陈玉柏,徐伟,王燕飞,等.Cr3C2/CrN复合添加剂对非均匀结构硬质合金性能的影响[J].中国钨业,2023,38(5):18-24,52.

CHEN Yubo,XU Wei,WANG Yanfei,et al.Effect of Cr3C2/CrN addition on properties of WC-10Co cemented carbide with non-uniform structure[J].China Tungsten Industry,2023,38(5):18-24,52.

摘要

本文以粗、中、纳米颗粒WC为原料，采用粉末冶金方法制备了不同Cr3C2/CrN复合添加剂含量的WC-10%Co非均匀结构硬质合金，并研究了Cr3C2/CrN复合添加剂对硬质合金微观组织结构和性能的影响。结果表明：随着Cr3C2/CrN复合添加剂含量增加，WC晶粒被抑制效果越显著，合金硬度呈递增趋势，抗弯强度则先增加后减小。当Cr3C2/CrN复合添加剂含量为1%时，合金综合性能最佳，维氏硬度达到1 270 HV3，抗弯强度达到2 880 MPa。复合添加剂增强作用机理主要是因为复合添加剂溶解在液相Co中，降低了WC在Co相中的溶解度，减缓WC溶解-析出过程，抑制了WC晶粒聚晶和异常长大现象，并起到固溶强化和弥散强化的作用，有效提升了合金综合性能。

引言

传统的矿用硬质合金由于存在硬度和韧性的固有矛盾，难以同时具有高硬度和高韧性。一般情况下，成分相同的均匀结构WC-Co硬质合金，WC晶粒越细，硬质合金的硬度越高，耐磨性越好；WC晶粒越粗，冲击韧性越好，而硬度与耐磨性下降。随着地矿用硬质合金工具服役的工况越来越恶劣，传统均匀结构的硬质合金已难以满足越来越高的性能要求，因此制备兼具高硬度、高韧性“双高”性能的地矿用硬质合金已是广大科研工作者的研究热点之一。非均匀结构硬质合金既有粗晶合金的高韧性，又有细晶合金的高硬度和高耐磨性，是一种综合性能优良的新型结构硬质合金[1-6]。对于非均匀结构硬质合金的制备，国内外研究工作者进行了众多研究。早在20世纪90年代，日本住友电气就提出了双峰晶粒分布的硬质合金，该合金通过特殊工艺而具有WC晶粒度呈双峰分布的显微结构，可在不损失合金硬度的前提下提高其强度和韧性，而韧性的增加又能有效阻止裂纹的扩展，延长合金的使用寿命。根据制备工艺，非均匀结构硬质合金可分为两种类型：钴相含量高低组合制取的钴相非均匀结构和硬质相晶粒粗细搭配制取的晶粒度非均匀结构。其中以超粗、中、纳米颗粒中的两种或两种以上WC为原料，制备的新型非均匀结构硬质合金，有效地降低了WC晶粒之间的邻接，同时超粗颗粒提升了合金的韧性，细颗粒提升了合金的硬度，进而提升了硬质合金的性能。徐伟等人[7]研究了采用超粗、中、纳米3种WC颗粒制备非均匀结构硬质合金的性能。研究结果表明，采用一定配比的三种不同WC颗粒制备的非均匀结构硬质合金综合性能可以得到明显的提升。

通常在非均匀结构硬质合金制备过程中超粗颗粒WC容易出现晶粒异常长大的问题，导致合金中的聚晶增加，降低WC晶粒之间的结合力[8]。当合金产品在受到外力冲击时，WC晶粒之间容易产生裂纹，引起材料的开裂，进而影响硬质合金的整体性能。已有研究表明[9-12]，通过在原始粉末混合料中加入少量的VC、Cr3C2、TaC、TiC或NbC等晶粒长大抑制剂可以有效地控制WC晶粒的异常生长，且起到固溶强化和弥散强化的效果。同时，异常长大WC晶粒的减少还可增强Co分布均匀性及其与WC晶粒黏结面积，使合金具备高硬度、高抗弯强度的良好综合性能[13-14]。

为此，本研究采用粗、中、纳米3种不同粒度的WC按一定比例搭配通过粉末冶金方法制备了WC-10%Co非均匀结构硬质合金，并添加Cr3C2/CrN复合添加剂优化合金的性能。详细研究了Cr3C2/CrN复合添加剂添加量对非均匀硬质合金微观组织结构和力学性能的影响，揭示Cr3C2/CrN复合添加剂对硬质合金微观结构和性能的影响机制，为高硬度、高韧性“双高”性能的地矿用硬质合金开发提供借鉴。

图文速览

(a)Cr3C2；(b)CrN

图1添加剂粉末的SEM微观形貌图

Fig.1 SEM morphology images of additive powder

Cr3C2/CrN添加量：(a)0%；(b)0.2%；(c)0.4%；(d)0.6%；(e)0.8%；(f)1.0%；(g)1.2%；(h)1.4%

图2不同Cr3C2/CrN添加量的合金显微组织

Fig.2 Microstructure of the alloys with different addition of Cr3C2/CrN

图3 Cr3C2/CrN添加量与硬度的关系

Fig.3 Relationship between the hardness and the addition of Cr3C2/CrN

图4 Cr3C2/CrN添加量与矫顽磁力的关系

Fig.4 Relationship between the coercive force and the addition of Cr3C2/CrN

图5 Cr3C2/CrN添加量与钴磁的关系

Fig.5 Relationship between the cobalt magnetism and the addition of Cr3C2/CrN

图6 Cr3C2/CrN添加量与抗弯强度的关系

Fig.6 Relationship between the bending strength and the addition of Cr3C2/CrN

结论

（1）以粗、中、纳米WC颗粒为原料并加入Cr3C2/CrN复合添加剂，能够制备出综合性能较好的非均匀结构硬质合金，且当复合添加剂含量为1%时，非均匀结构硬质合金的维氏硬度为1 270 HV3，抗弯强度为2 880 MPa，合金的综合性能达到最佳。

（2）随着Cr3C2/CrN复合添加剂的增加，合金的密度出现小幅的下降趋势，由14.50 g/cm3下降为14.35 g/cm3；硬度和矫顽磁力随着复合添加剂的增加出现上升的趋势，硬度由1 050 HV3增加到1 310 HV3，矫顽磁力从2.8 kA/m增加到7.4 kA/m；抗弯强度随复合添加剂的增加呈现出先增加后下降的特点，在复合添加剂含量为1.0%时达到峰值；钴磁随复合添加剂增加而不断减小，由最大值9.2%降为5.7%。

（3）Cr3C2/CrN复合添加剂的加入，有效地降低了WC晶粒长大的驱动力，减慢溶解-析出过程，细化晶粒并防止合金晶粒出现聚晶异常长大。