B对WC-20%Co硬质合金微观结构与力学性能的影响_刘国强.pdf

B对WC-20%Co硬质合金微观结构与力学性能的影响刘国强1,2（1.中南大学粉末冶金研究院，湖南长沙 410083；2.株洲硬质合金集团有限公司，湖南株洲 412000）摘要硬质合金中微量元素的添加主要集中在V、Ta、Hf、Ce等金属元素，非金属元素应用较少，主要有B等元素。非金属元素B引入硬质合金方式主要有表面渗硼和在原料粉末中添加，本文以化学性能稳定的B4C为添加剂，在WC-20%Co(YG20C)硬质合金混合料制备过程中进行添加，采用气压烧结制备出含硼WC-20%Co硬质合金。研究了B添加（0.01%、0.03%、0.06%，质量分数）对WC-20%Co硬质合金组织结构及力学性能的影响。实验结果表明：B含量增加使YG20C合金晶粒度分布趋向不均匀，当B添加量为0.06%时，其晶粒度呈现双峰分布趋势，同时，随着B含量的增加，YG20C合金硬度提高；当B添加量为0.01%时，合金的断裂韧性最佳（16.43 MPam1/2）。关键词硬质合金；硼元素；力学性能；微观组织Effect of Boron on Microstructure and Mechanical Properties of WC-20%Co Cemented CarbidesLiu Guoqiang1,2（1.Powder Metallurgy Research Institute,Central South University,Changsha Hunan 410083,China;2.Zhuzhou Cemented Carbide Group Co.Ltd.,Zhuzhou Hunan 412000,China）ABSTRACTThe trace elements added into cemented carbides mainly include V,Ta,Hf,Ceand other metallic elements,and the application of non-metallic elements is less,mainly including elements such as B which is introduced into cementedcarbides mainly in two ways:boronizing and adding it into raw powders.In this paper,B4C with stable chemical properties isadded as the additive during the preparation of the WC-20%Co(YG20C)cemented carbide mixture.The boron-containingWC-20%Co cemented carbide is prepared by gas-pressure sintering.The effect of the addition of B(0.01%,0.03%,0.06%,mass fraction)on the structure and mechanical properties of the WC-20%Co cemented carbide is studied.The experimentalresults show that the increase in the B content leads to the nonuniformity of the grain size distribution of the YG20Ccemented carbide.When 0.06%of B is added,the grain size of the cemented carbide is in a bimodal distribution.As the Bcontent rises,the hardness of the YG20C cemented carbide increases.When 0.01%of B is added,the cemented carbide hasthe optimal fracture toughness(16.43 MPa.m1/2).KEY WORDScemented carbide;element B;mechanical property;microstructure作者简介：刘国强（1988-），男，本科，工程师，主要研究方向：矿用硬质合金及其应用。E-mail:。DOI：10.3969/j.issn.1003-7292.2023.01.004引文格式：刘国强.B对WC-20%Co硬质合金微观结构与力学性能的影响J.硬质合金，2023,40（1）：26-30.LIU G Q.Effect of boron on microstructure and mechanical properties of WC-20%Co cemented carbidesJ.Cemented Cabides,2023,40（1）：26-30.2023年2月Feb.2023第40卷第1期Vol.40 No.1硬质合金CEMENTED CARBIDES材料科学与工程第40卷硬质合金具有高硬度和耐磨性，广泛应用于切削、机加、采矿等行业，其中高速精密加工对硬质合金的硬度和韧性提出了更高的要求1-4。硬质合金的低断裂韧性在一定程度上限制了其应用范围的拓展5。硬质合金的渗硼处理是通过热处理等方式对硬质合金制品进行烧结后二次处理，通过原子的热扩散在合金表面形成一定厚度的渗层6-7。经渗硼处理的硬质合金在保持基体的良好韧性的同时，其表面具有更高的硬度。袁红梅等8以 BN、B4C、KBF4、石墨颗粒、SiC粉为渗硼剂，YG11C为基体进行渗硼处理，研究结果表明：渗硼层出现了新的硬质相W2C、CoW2B2、CoW3B3等，WC晶粒细化，钴相因渗硼得到了强化；合金的耐磨性能比未渗硼时提高了1430；经渗硼后硬质合金抗弯强度下降，但韧性略有提高。张忠健等9对YG6、YG11、YG15进行固体渗硼处理，渗硼剂主要含 BN、B4C、KBF4、石墨颗粒、SiC 粉、Mg粉、稀土等。实验结果表明：渗硼层厚度可达0.10.5 mm，渗硼层Co黏结相中弥散分布羽毛状 W-C-Co-B 析出相。B元素的另外一种添加方式是在原料粉末中添加含B的碳化物或氮化物，通过B元素的添加对合金整体组织结构等进行调控。周定良等10在 WC-10%Co合金中添加纯硼粉，研究微量的硼对硬质合金组织和性能的影响，研究结果表明：B元素的加入改善合金中黏结相的分布均匀性，形成高硬度的W-Co-B 三元“伪”相，并使 WC 圆化；当硼添加量为0.01（本文含量均为质量分数）时，合金整体力学性能最好，合金强度、硬度得到一定程度的提高。鉴于硼在硬质合金中的积极作用，且硼对高钴硬质合金整体组织和性能影响的相关研究鲜有报道，本文以高钴YG20C硬质合金为基体，添加不同含量的B元素，探究B对其组织结构和性能的影响，确定最佳B元素添加量。期望为B在高钴硬质合金中的应用提供一定的指导。1 实验方法按照表1配制 WC-20%Co、WC-20%Co-0.01%B、WC-20%Co-0.03%B、WC-20%Co-0.06%B 的混合料各 1 kg，其中 B以 B4C的形式添加到 YG20C中，WC的费氏粒度为22.2 m，Co的费氏粒度为1.0 m，并分别编号YG20C、YG20C-1、YG20C-2、YG20C-3。将原料粉末置于2.4 L小型滚筒式球磨机中球磨，球料质量比为2.731，酒精230 mL，球磨时间18 h，球磨后干燥过筛。压制PS21条于1 450 下进行气压烧结，烧结保温时间为1 h，烧结压力为5.8 MPa。抗弯强度样品尺寸符合ISO 3327:2009硬质合金抗弯强度测试国际标准中 B 型试样，即（20 1）mm（6.5 0.25）mm（5.25 0.25）mm的要求。采用日本理学 D8 ADVANCE X 射线衍射仪进行物相分析，工作电压50 kV，工作电流40 mA，铜靶波长 0.154 06 nm；采用阿基米德排水法测定密度；在 Wilson574T 硬度计上测量洛氏硬度；采用法国D60-25钴磁仪测量钴磁；采用ZDHC40-G磁力计测量矫顽磁力；在CMT4504电子材料试验机上测量抗弯强度；采用DM4000M 金相显微镜及LAMOS Master 金相分析软件测量合金的晶粒度分布；采用merlin compact扫描电子显微镜对每个成分合金样品进行了SEM组织观察和能谱分析；采用压痕法测量样品的断裂韧性；计算方法见公式(1)11，KIC=0.002 8 1l HV P（1）式中：KIC为断裂韧性，单位是MPam1/2；P为载荷，单位为N；HV为载荷P下试样维氏硬度值，单位N/mm2；l为压痕顶角处4条裂纹的总长，单位为mm。2 结果及讨论2.1 B对YG20C组织的影响图1为实验用4组合金的微观组织，从图中可以看出四组合金的WC晶粒均为多边形状，图2为四组合金的XRD结果，从图中可以看到四组合金均为两相组织，但是在图1(d)、图1(e)中观察到YG20C-3试样中的黏结相有分布不均的椭球状第三相组织，类似于硬质合金中的“伪”相。对该第三相进行能谱分析，结果如图1(f)所示，结合图3所示1000 时W-Co-B三元相图的等温截面图，形成的第三相可能为表1 四种合金的名义成分Table 1 Nominal compositions of four cemented carbides%SampleYG20CYG20C-1YG20C-2YG20C-3w(Co)/%20202020w(B)/%00.010.030.06w(WC)/%BalanceBalanceBalanceBalance刘国强：B对WC-20%Co硬质合金微观结构与力学性能的影响-27硬质合金第40卷（f）20100Cpstev02468keVCWBBBCoWWWWWCoCoElementCBCoWw/%10.843.0668.4717.63W2Co21B6，可能发生的反应如式(2)、(3)12：B+2CoCo2B(2)11W+15Co2B9WCoB+W2Co21B6(3)由于B元素的添加量相对较低，XRD分析时未能检测出椭球状组织的成分。图4为四组合金的晶粒度分布结果，从图4中可以看出，B的添加降低了YG20C-1、YG20C-2中晶粒分布的均匀性，虽然其平均晶粒度未有明显改变，但增加了粒度级别为1.4(晶粒度范围为0.71.4 m)的晶粒数量占比；YG20C、YG20C-1、YG20C-2的粒径离散系数分别为0.68、0.78、0.77。在YG20C-3中其晶粒度分布往较高的粒级方向移动，平均晶粒度达到3.4 m，粒径离散系数仅为0.64，甚至出现了类似双峰晶粒度的趋势，粒级0.71.4 m、2.12.8 m的颗粒占比最高，分别为15.13%、16.39%。2.2 B对YG20C物理性能的影响图 5 为 B 含量对 YG20C 矫顽磁力和钴磁的影响。从图5中可以看出，随着B含量的增加，合金的矫顽磁力和钴磁均降低。硬质合金矫顽磁力与合金中钴含量有关，也与钴的晶粒形状和钴层厚度以及图1 试样的SEM：(a)YG20C；(b)YG20C-1；(c)YG20C-2；(d)YG20C-3；(e)图1(d)中局部放大图；(f)图1(e)中矩形处EDSFig.1 SEM of samples:(a)YG20C;(b)YG20C-1;(c)YG20C-2;(d)YG20C-3;(e)Local magnification of Fig.1(d);(f)EDS of rectangle part of Fig.1(e)（a）（b）（c）（d）（e）3.5 m-28第40卷钴的点阵畸变、内应力与杂质存在与否有关，矫顽磁力的降低可能是B的添加改变了钴层的分布和应力状态。在WC-Co合金中，钴磁反应了合金中相的数量状况，是合金中总碳含量的关键控制参数。文中“伪”相的存在，导致合金趋于脱碳，与未添加B的 YG20C 相比，YG20C-3 的钴磁从 18.75%降低至17.7%。钴磁高低还与合金中W、C的偏析及界面类型有关，黏结相中的“伪”相分布不均匀，增加了W、C的偏析程度，钴磁进一步较低13。2.3 B对YG20C力学性能的影响图 6 为 B 含量对 YG20C 硬度和断裂韧性的影响，随B含量的增加，YG20C合金的硬度增加，B含量为0.06%时，洛氏硬度HRA达到84.7。B在固相烧结阶段降低了氧含量，减小了硬质相和黏结相之间的润湿角，使黏结相分布相对均匀的同时提高了界面结合6，本实验中硬度提高的主要原因可能是B与W、Co相互作用形成了硬度较高的“伪”相。四组合金样品的断裂韧性利用公式(1)计算得102030405060708090WB2rt WBrt x(W)/%W2BW3CoB3WCoBW2CoB2W2Co21B6Co3B2030405060708090Co2BCoBx(B)/%x(Co)/%10908070605040302010(B)rhom1(W)W6Co7WCo3rt1000 (1273 K)Co(Co)htBW图2 试样的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of samples图3 W-Co-B三元相图1000 时的等温截面13Fig.3 Isothermal section of W-Co-B ternary phase diagramat 1000 C13图4 B对YG20C晶粒度的影响Fig.4 Effect of B on grain size of YG20C图5 B含量对YG20C矫顽磁力和钴磁的影响Fig.5 Effect of B content on coercive force andcobalt magnetism of YG20C图6 试样的断裂韧性和硬度Fig.6 Fracture toughness and hardness of samplesIntensity(a.u.)20304050607080902/（）YG20C-2YG20CYG20C-1WCCoYG20C-3YG20CYG20C-1YG20C-2YG20C-3302520151050Percentage/%Grain size/mYG20C-1YG20CYG20C-3YG20C-23.403.353.303.253.203.153.10Coercive force/(kA/m)19.018.518.017.5Relative cobalt magnetism/%SamplesRelative cobalt magnetismCoerctive forceYG20C-1YG20CYG20C-3YG20C-284.984.884.784.684.584.484.384.284.1HRA18161412108Fracture toughness/(MPam1/2)SamplesFracture toughnessHRA刘国强：B对WC-20%Co硬质合金微观结构与力学性能的影响-29硬质合金第40卷到，其所用数据如表2所示。从图6中可以看出，在B含量为0.01%时断裂韧性达到16.43 MPam1/2，相较于YG20C基体的11.9 MPam1/2，其断裂韧性提高38%，B含量进一步增加，断裂韧性降低。有研究认为韧性提高原因之一是B的引入使WC棱角处圆滑过渡，变形过程中的应力集中程度低10，裂纹不易萌生，即使萌生也相对较难扩展；原因之二是黏结相中fcc-含量增加，由于fcc-的滑移系多于hcp-，室温下fcc-的变形能力大于hcp-，提高了黏结相的塑韧性10,14，本实验中由于XRD中fcc-和hcp-谱峰存在重叠，而且两者的谱峰相对较弱，难以区分二者的相对强度，此原因并未得到证实。一定数量的相均匀存在于WC与黏结相之间时，能有效的减少应力集中，合金在变形过程中的裂纹不易扩展13。B含量为0.01%时，形成的“伪”相均匀分布在钴相中，强化钴相，合金断裂韧性最高；B含量进一步增加，形成的“伪”相增加，同时“伪”相在黏结相中的分布不均匀性增加，其脆性大于相，在塑性变形过程中增加了应力集中的可能性，合金吸收消耗能量的能力降低，断裂韧性下降。3 结论本文在原料粉末中引入B元素，采用常规硬质合金制备方法制备出含硼的高钴硬质合金，研究了B对高钴硬质合金组织和力学性能的影响，主要结论如下：（1）YG20C中最佳B添加量为0.01%，断裂韧性达到 16.43 MPam1/2，相较于基体的 11.9 MPam1/2，其断裂韧性提高 38%；其洛氏硬度 HRA 为 84.5，具有最好的综合力学性能。（2）B与W、C形成细小的“伪”相，分布在黏结相中，强化黏结相，从而提高YG20C的硬度。（3）B的添加影响YG20C的晶粒度分布，B添加量为0.06%时，YG20C晶粒分布离散系数最小，出现类似双峰晶粒度的趋势。参考文献REFERENCES1 Liu X W,Song X Y,Wang H B,et al.Complexions in WC-Co cemented carbidesJ.Acta Materialia,2018,149:164-178.2 Andrn H O.Microstructures of cemented carbidesJ.Materials&Design,2001,22(6):491-498.3 Garca J,Ciprs V C,Blomqvist A,et al.Cemented carbide microstructures:a reviewJ.International Journal 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Science,2016,364:315-321.（2022-10-9收稿）表2 四种合金断裂韧性相关数据Table 2 Related data on fracture toughness of four cemented carbidesSampleYG20CYG20C-1YG20C-2YG20C-3HV100840.5854.0861.0892.0Total cracklength/m45.6024.3073.5594.16Fracture toughness/MPam1/211.9016.439.488.53-30