WC高锰钢钢结硬质合金制备及热处理

摘 要

钢结硬质合金是一种新型的工程材料，它综合了合金钢和硬质合金两者的优点，具有广泛的工艺特性和良好的综合物理机械性能，被广泛应用于工业生产的各个领域。本论文研究了一种新型的WC钢结硬质合金的制各工艺，应用光学金相分析(OM)，扫描电镜(SEM)，电子探针，和洛氏硬度仪等材料分析手段，分析了钢结硬质合金的组织结构，并讨论了各个工艺参数对WC钢结硬质合金组织及性能的影响。

论文重点研究了制备WC钢结硬质合金材料的工艺路线，确定了原料中合适的碳含量 以及主要制备工艺参数。并且研究了铁粉的添加对WC钢结硬质合金力学性能、显微组织的影响。结果表明：球磨24h，250MPa模具压制、1260℃烧结，保温0.75h后冷却，为论文试验的最佳工艺路线。

论文还对WC钢结硬质合金的热处理工艺进行了探索和研究，确定了合金退火、淬火、回火工艺的主要工艺参数。实验结果表明：加热温度为880℃，保温4h，然后在740℃等温3h，合金的硬度达到HRC40.2，能较好地满足后续机加工的要求，在950℃～1100℃的温度范围内淬火时，淬火温度为1000℃时合金的硬度和抗弯强度达到了最高值，对合金的回火温度研究结果显示，合金在550℃回火时表现了最高的硬度和抗弯强度，分别为HRC67.3 和2393MPa，表现出良好的综合力学性能。

关键词：WC钢结硬质合金；烧结；热处理；力学性能

Abstract

Steel bonded carbide is a new type of engineering material. It combines the advantages of steel and bard alloy,and has been applied into many industrial fields due to its attractive physical and mechanical properties, In this paper ,a new type of steel bonded tungsten carbide was studied, and its microstructure was analyzed by scanning electron microscope ,and Rockwell hardness tester.The effects of primary process parameters on the microstructures and properties of steel bonded tungsten carbide were discussed in detail．

A new process route and its process parameters about the steel bonded tungsten carbide have been investigated, and proper content of carbon was confirmed．he effect factors on mechanical properties and microstructure of steel bonded tungsten carbide has also been investigated in this dissertation. The results showed that the best route was planetary milling(24h)，pressing(250MPa),sintering in vacuum at 1260℃ for 0.75h.The route can obtain a steel bonded tungsten carbide with a high density and good mechanical properties.

In this paper, the heat treatment of steel bonded tungsten carbide also has been studied．The results showed that when the steel bonded tungsten carbide was heated at 880℃for 4h．then cooled down slowly to the isothermal temperature at 740℃for 3h.the hardness of alloy was 40.2(HRC), which satisfied the requirement for machining successfully．It was found that after quenching at 1000℃．the hardness and bending strength reach maximum, and the results showed that the hardness and bending strength were the highest after tempering at 550℃.and the numerical value were HRC67.3 and 2393M Pc．the steel bonded tungsten carbide expressed a good mechanical property.

Key words: steel bonded tungsten carbide，sintering，heat treatment，mechanical properties

目 录

摘 要 ............................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................................... II

第1章 绪论 ................................................................................................................................... 1

1.1 钢结硬质合金材料概述 ...................................................................................................... 1

1.1.1 钢结硬质合金的介绍 ................................................................................................... 1

1.1.2 钢结硬质合金的主要特点 ........................................................................................... 1

1.1.3 钢结硬质合金的应用 ................................................................................................... 2

1.2 课题背景 .............................................................................................................................. 3

1.3 课题的目的、意义 .............................................................................................................. 4

1.3.1 课题的目的 ................................................................................................................... 4

1.3.2 课题的意义 ................................................................................................................... 4

1.4 本领域存在的问题 .............................................................................................................. 5

1.5 主要研究思路与内容 .......................................................................................................... 5

1.6 本章小结 .............................................................................................................................. 6

第2章 实验方法 ........................................................................................................................... 7

2.1 实验材料与设备 .................................................................................................................. 7

2.1.1 合金主要成分的确定 ................................................................................................... 7

2.1.2 试验的主要设备 ........................................................................................................... 8

2.2 实验方法 .............................................................................................................................. 8

2.2.1 工艺路线 ....................................................................................................................... 8

2.2.2 制备工艺 ....................................................................................................................... 9

2.2.3 热处理工艺 ................................................................................................................. 10

2.3 分析测试方法 .................................................................................................................... 10

2.3.1 硬度的测试 ................................................................................................................. 10

2.3.2 冲击韧性 ..................................................................................................................... 10

2.3.3 金相观察与分析 ......................................................................................................... 11

2.3.4 扫描电镜分析 ............................................................................................................. 11

2.4 本章小结 ............................................................................................................................ 11

第3章 试验结论及讨论 ............................................................................................................. 12

3.1 合金成分对钢结硬质合金性能的影响 ............................................................................ 12

3.1.1 主要试验过程 ............................................................................................................. 12

3.1.2 碳含量对钢结硬质合金性能的影响 ......................................................................... 12

3.2 工艺因素对钢结硬质合金的影响 .................................................................................... 13

3.2.1 球磨时间对钢结硬质合金性能的影响 ..................................................................... 13

3.2.2 烧结温度对钢结硬质合金性能的影响 ..................................................................... 14

3.2.3 烧结保温时间对钢结硬质合金的影响 ..................................................................... 16

3.3 WC钢结硬质合金烧结体的显微观察 ............................................................................. 16

3.3.1 烧结体的显微观察和分析 ......................................................................................... 16

3.4 热处理工艺对WC钢结硬质合金性能的影响 ................................................................ 17

3.4.1 热处理工艺的概述 ..................................................................................................... 17

3.4.2 退火工艺对烧结态WC钢结硬质合金的影响 ...................................................... 18

3.4.3 淬火工艺对烧结态WC钢结硬质合金的影响 ...................................................... 19

3.4.4 回火工艺对烧结态WC钢结硬质合金的影响 ...................................................... 20

3.5 本章小结 ............................................................................................................................ 21

结论 ............................................................................................................................................... 22

致谢 ............................................................................................................................................... 23

参考文献 ....................................................................................................................................... 24

第1章 绪论

1.1 钢结硬质合金材料概述

1.1.1 钢结硬质合金的介绍

钢结硬质合金是以钢为粘结相，以难熔金属碳化物(主要是碳化钛、碳化钨等)作硬质相，通过粉末冶金工艺制备而成的一类材料。其组织特点是微细的硬质相晶粒均匀弥散地分布于钢基体中。钢结硬质合金中的硬质相赋予了材料以高硬度和高耐磨性的特性，这些特性是钢结硬质合金区别于工具钢的一个重要标志。目前钢结硬质合金所用的硬质相种类不多，多半采用碳化钛和碳化钨。碳化钛是过渡族金属碳化物中一种具有面心立方点阵的间隙相．其特点是硬度高，熔点为3150℃，密度为4.92克／厘米3，具有很高的热稳定性，以及在烧结过程中晶粒长大倾向较小。

碳化钨是具有简单六方点阵的过渡族金属碳化物间隙相，其硬度较高，熔点为2720℃，密度为15.7克／厘米3。碳化钨几乎完全能被铁族金属所润湿(其润湿角几乎为零)，因此在烧结过程中易于合金化。由于碳化钨在铁中的溶解度远比碳化钛高，(前者在1250℃下约为7％，后者则小于0.5％)，因此在烧结过程中，碳化钨在铁中的溶解、析出更为显著。

钢结硬质合金钢基体粘结相与硬质相的配比范围相当宽泛，钢基体含量原则上可在20～80％(重量)范围内变化。但实践表明，钢结硬质合金中钢基体含量低于40％(重量)时，会使其完全丧失加工性能，此时与普通硬质合金的加工性能相似，反之，若基体钢的含量过高，则会影响整个合金的耐磨性，导致使用性能下降，国内外钢结硬质合金的生产实践表明，基体含量大多在50～75％(重量)范围内变化驯。这既有利于合金的可加工性，又不会降低其应具有的耐磨性，得到良好的综合性能[1]。

1.1.2 钢结硬质合金的主要特点

（1） 广泛的工艺特性

钢结硬质合金首要的工艺特性．是可加工性和可热处理性。因此，也有人把钢结硬质合金称为可加工、可热处理的硬质合金。所谓可加工性是指采用普通加工设备和工具能顺利地进行车、铣、刨、钻、磨削等各种机械加工。钢结硬质合金的可加工性．除了主要取决于合金基体的含量外，也取决于基体的性质与状态。至于钢结硬质合金的可热

处理性，这主要取决于基体的性质。

钢结硬质合金的另一个重要工艺特性是其可锻性。锻造时不仅能使其产生变形，而且会改善材料的组织，从而有助于提高其使用性能。可焊性是钢结硬质合金的又一个重要的工艺特性。钢结硬质合金不仅可以采用对焊、镶焊、电弧焊、真空扩散焊、对焊等各种焊接方法与钢材进行焊接，而且合金本身也可彼此进行焊接，这就为钢结硬质合金的扩大应用开辟了更加广阔的前景。

（2）良好的物理机械性能

钢结硬质合金本身最重要的性能是在硬化态下具有很高的硬度，其耐磨性与高钴含量的硬质合金相当，与硬质合金相比又具有较高的韧性，而钢结硬质合金与钢相比具有较高的刚性、弹性模量、抗弯强度和抗压强度，从而体现出钢结硬质合金的良好综合性能。此外．钢结硬质合金还具有较低的比重、较高的比强度、良好的自润滑性、高的阻尼特性与固有频率、与钢相近的热膨胀系数等一系列有益的物理性能。所有这些特性对其应用均至关重要。

（3） 优异的化学稳定性

钢结硬质合金具有优异的化学稳定性，能耐高温、抗氧化、抗各种介质(如大气、燃气、海水、油，酸、碱、盐等)的腐蚀。钢结硬质合金的抗腐蚀性取决于基体类型，故可根据不同的需要，选择适当的钢或合金作粘结相，使其具有相应的抗腐蚀性。

1.1.3 钢结硬质合金的应用

钢结硬质合金首先成功地应用于制造各种工模具，与工具钢相比，它可使模具寿命数十倍地大幅度提高，经济效果也极为显著。

钢结硬质合金高的弹性模量和刚性以及优异的阻尼特，能消除工具本身乃至机器所引起的振动，从而使它广泛地应用于制作刚性的抗震颤的工具和零件。采用钢结硬质合金制作的研磨套筒轴、柄轴和超级镗杆工具，可实现无震颤或少震颤的内孔加工、无尺寸偏差或无锥度的精密加工。它以成功地用来制作重型设备(如重型推土机)的抗震零件以及加工大型飞机起落架等。高速钢或抗回火高铬工具钢钢结硬质合金在制作整体刀具，如麻花钻头、端面铣刀、齿轮滚刀、铰刀、丝锥等方面取得了良好的效，从而填补了硬质合金在整体刀具方面的空白。

由于钢结硬质合金具有高耐磨性和低摩擦系数，故在量卡具等测量仪器方面得到日益广泛的应用。钢结硬质合金的高耐磨性与低比重、低摩擦系数、高抗腐蚀性和良好的

自润滑性的配，使它日益广泛的用来制作要求耐磨、耐高温。耐腐蚀等综合性能的机器零件与构件，如转子发动机密封系统中的刮片和缸体涂层，机械密封组件中的密封环、航海、航空、航天工业中应用的制导系统的陀螺马达气体轴承及其它构件等等。

此外，钢结硬质合金由于不含钴，没有钴的半衰期问题，因此还可用来制作在放射性环境中工作的耐磨元件，如原子能工业中所需的某些构件。总之，钢结硬质合金己逐渐成为工程技术中一种不可缺少的新型工程材料。

1.2 课题背景

近年来，由于各国积极从事研究开发活动，因而钢结硬质合金无论在硬质相和粘结相方面。还是在工艺和应用方面都取得了明显的进展。纵观近年来国外钢结硬质合金的进展，可概括出以下几个特点：

(1) 硬质相正在向多样化方向发展

近年来，钢结硬质合金发展的一个突出的特点就是其硬质相正在向多样化的方向发展。最初，作为钢结硬质合金硬质相的只有TiC。但近年来，许多国家如日本、俄罗斯、英国、瑞典等都在研究钢结硬质合金硬质相方面作了大量工作，已成功地开发出多种新型硬质相，如WC、WC、TiB2、WC-Co 合金以及其他复合硬质相等。用这些新型硬质相制取的钢结硬质合金在实际应用中均取得了良好的效果。

(2) 作为粘结相的钢种不断扩大

作为钢结硬质合金粘结相的钢种近年来也在不断扩大。目前作为钢结硬质合金粘结相的钢种有各种成分的碳素钢、合金钢、工具钢、高速钢、高锰钢、各种类型的耐热钢、不锈钢以及根据合金用途不同配制各种类型的铁基合金粘结剂等。

(3) 相成分范围明显拓宽

近年来，钢结硬质合金相成分范围不断拓宽。以往钢结硬质合金的钢基体的含量一般在50～75％范围内变化，也就是说钢结硬质合金中硬质相含量一般不超过50％，以保证合金的可加工性，又不降低其耐磨性。但是，近年来，钢结硬质合金的发展已冲破了上述范围。

(4) 应用范围日益广泛

钢结硬质合金的优异综合性能，使其应用范围不断扩大，不断开拓新的应用领域，在许多工业部门都显示出良好的使用效果。例如，钢结硬质合金在机械制造中用于

制作凸轮、阀座、轴承零件、无心车床的进给杆和撑杆，其耐磨性比高速钢高15-20倍. 虽然目前钢结硬质合金已得到相当广泛的应用，但这种材料的应用远不限于此．今后钢结硬质合金的应用必将进一步扩大[3]。

从这些特点来看，近年来钢结硬质合金无论在成分配比、工艺方法方面．还是在应用方面都取得了很大的进展。目前钢结硬质合金已成为十分诱人的材料．吸引越来越多的厂家积极涉足于这一领域，不断开发出新的品种，应用于各种不同的领域.

1.3 课题的目的、意义

1.3.1 课题的目的

国内钢结硬质合金产品的质量与国际水平相比还有很大的差距，产品质量的不稳定，使其应用成本一直居高不下。究其原因有：金属陶瓷的基础研究还相对滞后．复合材料的表征测试研究还需进一步加强，许多涉及合金材料本质的问题期待更为成熟的理论指导，如硬质相与钢基体界面的润湿性问题以及相界面动力学过程研究、网状结构形成机制、制备工艺与性能的相互关系等。

本文在充分理解钢结硬质合金的优点和某些方面期待改进的情况下，借鉴了国内外钢结硬质合金的研究成果，力求探索开发出新的钢结硬质合金品种，试验出合适的台金制备工艺参数，研究出制各工艺与性能的相互关系，以期能够制各出综合力学性能优良的钢结硬质合金出来，为开发新一代的钢结硬质合金提供指导和技术依据。

1.3.2 课题的意义

碳化钨钢结硬质合金作为工模具材料和新型的工程材料已广泛应用于国民经济和科学技术的各个领域。以粉末冶金法为代表的各种生产手段已大规模地用于制造该类材料。然而，国内钢结硬质合金产品的质量与国际水平相比还有一定差距，产品质量的不稳定，使其应用成本一直居高不下。

究其原因在于:金属陶瓷的基础研究还相对滞后；复合材料的表征测试研究 还需须进一步加强，许多涉及合金材料本质的问题期待更为成熟的理论指导，如硬质相碳化钛与钢基体界面的润湿性问题以及相界面动力学过程研究、网状结构形成机制、制备工艺与性能的相互关系等。开发超细和纳米级钢结硬质合金粉末，改善纳米合金烧结新技术、新设备，加强对纳米粉末、纳米合金进行分析及检测技术的研究。因此，努力降低成本，加强基础理论对合金生产的指导作用，不断提高合金的综合力学性能等仍是今后

发展的基本趋势，对进一步促进经济的进步有着重大的意义。

1.4 本领域存在的问题

随着工业自动化程度的不断提高，模具的应用越来越广泛，但目前在我国的许多企业中，模具的使用寿命还比较低，国内普通钢材模具的使用寿命仅是发达国家的20％～33％，差不多落后5～10年。模具钢材品种也单调，普遍习惯使用几种老牌模具钢。虽然开发了一些新模具钢种，应用和推广了一些热加工新技术、新工艺，模具使用寿命有了一定程度的提高，但应用不广，模具寿命短、早期失效比较严重。因此大大增加产品的成本，降低生产效率。

钢结硬质合金综合了钢与硬质合金的特点，构成了自己独特的性能，首先具有很好的耐磨性，硬质相占到总重量的30％～50％，并且钢基体在淬火状态下形成马氏体，共同赋予了材料高硬度和高耐磨性。并且钢基体对硬质相起到支撑和传递载荷的作用，使材料具有较高的韧性，同时可满足机加工的要求，更可贵的是钢结硬质合金可通过各种热处理获得所需的综合性能，从而满足材料不同工作环境下的需要．因此钢结硬质合金是一种理想的模具材料。制备致密度高、综合性能良好稳定的钢结硬质合金是本论文的关键[5]。

1.5 主要研究思路与内容

论文的主要内容如下：

一、 材料成分的设计及合适碳含量的确定

二、 碳化钨钢结硬质合金制备工艺影响因素的研究

(1) 球磨时间对钢结硬质合金性能的影响

(2) 烧结温度对钢结硬质合金性能的影响

(3) 烧结保温时间对钢结硬质合金性能的影响

三、 WC钢结硬质合金烧结体的显微分析

四、 WC钢结硬质合金热处理工艺的探索

1.6 本章小结

本论文的研究思路是选取碳化钨作为硬质相，铁粉、铬粉、石墨粉构成钢基体的原科，探索和确定出合适的基体成分，并对各种制备工艺参数进行研究，找出影响工艺影响因素从而确定出合适的工艺参数，烧结出致密较高的钢结硬质合金，并对合金的热处理工艺进行相关的探索和研究，主要是退火、淬火和回火工艺参数的研究，以期制各出综合力学性能优良的碳化钨钢结硬质合金。

第2章 实验方法

2.1 实验材料与设备

实验原料性质：

表2-1 实验原料性质 种类

碳化钨

铁

铬 石墨 性质 平均粒度2.7μm 还原铁粉粒度—200目，纯度98.0％以上 铬粉粒度—200目，纯度98.5％以上 石墨粉纯度99.85％

2.1.1 合金主要成分的确定

本论文钢结硬质合金选用碳化钨作为硬质相，碳化钨是具有简单六方点阵的过渡族

金属碳化物间隙相，其硬度高，熔点为2720℃。最可贵的是碳化钨几乎完全能被铁族金属所润湿，因此在烧结过程中易于合金化。目前碳化钨钢结硬质合金中硬质相的重量比一般在30％～50％之间，并且随着硬质相比例增高，耐磨性能也相应提高，本论文试验目的是为了充分发挥钢结硬质合金模具的耐磨性优势，因而确定了碳化钨重量百分比为50％，以期在耐磨性能要求较高的模具工作环境中有良好表现。

钢基体粘结相则由铁粉、石墨粉、铬粉三种粉末构成，其中Fe和C是钢基体中不可

或缺的主要合金元素．另外确定加入Gr元素是因为Gr是钢结硬质合金中一种极为重要的合金元素．几乎所有类型的钢结硬质合金都含有一定量的Cr。参考已有的钢结硬质合金和论文前期实验工作探索，把合金中Gr的含量确定为1.25％，碳含量的确定在本章下一节具体叙述，钢基体中余量即用铁粉来平衡，选取铬粉重量百分比为1.25％是由于确定在钢基体中Gr的含量为2.5％，计算到整个合金中就降低到钢基体中含量的一半，确定Gr的含量为2.5％是因为钢基体中适当含量的Gr能显著提高钢结硬质合金的淬透性，但随着Gr含量的提高，会使合金烧结活性降低，从而对烧结工艺产生不利的影响[8]。

本文中碳含量的加入根据前期探索工作的结果，选取了碳含量重量百分为1.3％、

1.4％、1.5％、1.6％四种成分，铁粉含量则根据碳含量相应调整，使百分比平衡．此次实验的目的是通过实验探索出此成分下合适的碳含量。实验采用普通模压进行压制成形，压制压力为200MPa，然后试样在真空烧结炉中裸露烧结，烧结温度分别是1220℃、1240℃、1260℃，保温时间为0.5h。根据表2-2的成分设计准确计算配料，并考虑烧损余量。

表2-2 WC高锰钢结合金的化学成分

基体类型

C Mn Cr WC Fe 2.1.2 试验的主要设备

实验设备主要有：

(1) ZRY55C型真空热压烧结炉；

(2) 四柱液压机、行星球磨机；

(3) HXD-1000TMC显微硬度计、OLYMPUS倒置式金相显微镜GX71型；

(4) HR-150A型电子布氏硬度计、HR-150A型洛氏硬度计各一台；

(5) ZBC-300B全自动金属摆锤冲击试验机；

(6) JSM-6360LV扫描电镜；

2.2

实验方法

2.2.1 工艺路线

本文对WC钢结硬质合金的制各及熟处理工艺进行了系统的研究．采用如下图所示

的工艺流程，并对合金的组织及基本力学性能进行了相应的测试，整个试验过程的工艺路线如图所示。

图2-1 工艺路线图

2.2.2 制备工艺

（1） 球磨工艺

本论文中的球磨工艺设备都是使用的是行星式球磨机，为了提高球磨的效果，球磨

时将大小直径的磨球按质量比l:l装入球磨罐。球磨工艺具体过程是将配比称量好的粉末装入球磨罐，按照一定的球料比放入磨球倒入适量的无水乙醇，目的是为了降低粉末在球磨过程中的吸氧量，然后把球磨罐装载在球机上开始球磨。

（2） 干燥工艺

当球磨一定时间后，停止球磨机．取下球磨罐，将混合粉末倒入托盘，放进普通干

燥箱中干燥。根据前期的实验基础，干燥温度选取在75℃比较合适，过高或过低的温度对干燥过程影响较大，干燥温度过高，将导致混合料氧化严重．这将影响烧结时粉末之间的润湿性，如果干燥温度过低，则干燥不充分，干燥时间也成倍的增加。

（3） 压制工艺

采用普通的钢模压制，压制后压坯是一个长方体抗弯条试样，。压制工艺采用二次加

压的方法，即在第一次加压后，保压2min，然后卸载压力，接着再以第一次压力大小的80％再次加压，保压1min。然后卸载压力准备脱模。实践证明，采用二次加压比一次加压能提高压坯的密度，并且压坯基本上不出现裂纹。

（4） 烧结工艺

本论文的烧结工艺设备使用是的真空烧结炉，烧结过程是先把待烧结的试样放进石

墨舟，放进烧结炉炉腔内，打开真空设备抽真空，当真空度到达要求后，开始升温。以烧结温度是1260℃为例．具体过程见表[4]：

表2-3 1260℃烧结过程温度表

步骤

1

2

3

4

5

6

7

8

9 温度 室温至400℃ 400℃保温 400℃至800℃ 800℃保温 800℃至1050℃ 1050℃保温 1050至1260℃ 1260℃保温 1260℃至1050℃ 时间 30 min 30min 30min 30 min 60 min 30 min 75 min 45 min 30 min

10 1050℃至室温 炉冷

2.2.3 热处理工艺

热处理是生产高锰钢钢结合金的必要工序。烧结样随炉冷却得到的组织一般是珠光体或马氏体或两者兼有，为了获得高锰钢的奥氏体基体必须进行热处理。

确定奥氏体化温度和时间：奥氏体化是要使钢件获得单相奥氏体组织，在奥氏体晶粒不致长大和不发生过热的前提下，应适当提高奥氏体化温度和延长保温时间，获得较均匀而稳定的奥氏体组织。随着温度提高，奥氏体的形核率和长大速度大大提高，转变的孕育期和转变完成所需时间也显著缩短，加热温度越高，转变的孕育期和完成转变的时间越短，即奥氏体的形成速度越快，在影响奥氏体的诸多因素中，温度的作用最为显著，因此，控制奥氏体的形成温度至关重要。但是，在较低温度下长时间加热和较高温度下短时间加热都可以得到相同的奥氏体态，因此，在制定热处理工艺时，应当全面考虑加热温度和保温时间的影响。在保证奥氏体化的前提下，选择较短的奥氏体化时间可提高效率和节约能源[7]。

从钢结合金的整体性能考虑，经热处理得到奥氏体组织使基体的韧性大幅度提高，在保证其耐磨性的同时又能抵抗一定的冲击。

根据以上分析及参考文献，拟定本实验材料的热处理工艺：（1050℃、1100℃）×（1h、2h、3h和4h）+室温水淬。

2.3 分析测试方法

2.3.1 硬度的测试

硬度试验设备为HR-150A型洛氏硬度计，压头用顶端具有球面的金刚石正圆锥，采用标尺C，在实验前把试样磨平，保证上下面平行，测试前先用硬度标准块校正硬度，然后在每个试样上取三个点测试，取其算术平均值作为钢结硬质合金的硬度值。硬度是碳化钛钢结合金需要检测的一个极为重要方面。对于韧性好的材料来说，硬度决定耐磨性的好坏；对于硬度高的材料来说，韧性决定其耐磨性的好坏。所以对本实验来说钢结合金的硬度在能在很大程度上反映基体的抗磨能力，通过HR-150A型洛氏硬度计进行洛氏硬度测试。

2.3.2 冲击韧性

冲击功对于检查金属材料在不同温度下的脆性转化最为敏感，而实际服役条件下的

灾难性破断事故，往往与材料的冲击功及服役温度有关。因此在有关标准中常常规定某一温度时的冲击功值为多少 、还规定FATT（断口面积转化温度）要低于某一温度的技术条件。所谓FATT，即一组在不同温度下的冲击试样冲断后，对冲击断口进行评定，当脆性断裂占总面积的50%时所对应的温度。在追求高耐磨性的同时有些部件还要求具有一定的抗冲击性如球磨机衬板、大型板锤等[8]。砂轮机和砂纸磨平烧结试样表面，并做成标准无缺口冲击试样，热处理后ZBC-300B全自动金属摆锤冲击试验机上测量其冲击功值。

2.3.3 金相观察与分析

金相试样经过取样、在砂轮机上磨平、然后在砂纸上经过粗磨、细磨。再在1.5 p m以下粒度的金刚石抛光剂抛光后，就可以在金相显微镜上进行孔隙度的观察和照相，观察金相试样组织则采用4％的硝酸酒精为浸蚀剂进行腐蚀。

2.3.4 扫描电镜分析

SEM分析是在本校分析测试中心的扫描电镜上进行的。主要是观察合金中的微观组织和断口形貌。扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。本次试验主要是用电子扫描电镜对新鲜的试样冲击断口形貌进行观察分析。

2.4 本章小结

按一定成分配制好的合金元素粉末装入球磨罐进行球磨．球磨一定时间后取出，在干燥箱中进行干燥，然后在压机上进行压制成形．就可以将压制好的压坯放在真空烧结炉中烧结，对烧结好的试样可以进行性能测试和微观观察分析，之后对烧结试样进行热处理，其中包括钢结硬质合金的退火、淬火和回火工艺，目的为了提高钢结硬质合金的力学等性能，从而获得综合性能良好的合金。

第3章 试验结论及讨论

WC钢结硬质合金主要是由WC硬质相及粘结相钢基体构成，因此。硬质相与钢基体的化学成分和工艺因素对整个钢结硬质合金的组织、性能乃至以后的用途及其使用效果有着根本性的影响。一方面论文从金属学角度考虑了钢基体中各元素的作用。亦即考虑成分、组织、性能三者之间的相互关系，包括对热处理的影响等；另一方面，从粉末冶金学的角度考虑了组元的作用，如粉末的纯度、粒度、润湿性、烧结活性等。所以本论文试验探索并研究了合金成分以及各种工艺因素条件对WC钢结硬质合金性能的影响[3]。

3.1 合金成分对钢结硬质合金性能的影响

3.1.1 主要试验过程

实验与常规粉末冶金工艺类似，经过球磨混料、干燥、压制，最后烧结成致密度较高的合金材料，工艺路线如图3-1所示。合金的烧结采用液相烧结法，液相烧结是钢结硬质合金生产中常用的烧结方法，是将压坯在有液相存在的条件下进行烧结。液相烧结的主要优点是材料致密化和均匀化的速度比较快。材料的致密度比较高，使用液相烧结技术所得的材料一般可以高于周相烧结材料的力学性能。

→

→

→

烧结气氛采用真空烧结，这是因为真空烧结有利于压坯中所吸附的气体和挥发物的排除，并且在真空气氛下。有助于消除粉末表面的氧化膜，液相对固相的润湿性也会得到改善，从而有助于烧结过程的进行[2]。

3.1.2 碳含量对钢结硬质合金性能的影响

因为碳含量对钢结合金工艺过程的影响极为显著．尤其是合金的烧结工艺条件对碳含量十分敏感。碳主要有使混合料中氧还原的作用，如果混合料中碳和氧的比例过低时，则会使烧结体中的氧排除不充分，从而产生孔隙甚至孔洞。不过，当碳含量过多时，则又容易形成石墨夹杂，增加孔隙．降低合金的性能。碳的另一个重要作用是获得高硬度高强度的马氏体钢基体组织，通过淬火处理形成的马氏体把耐磨的硬质相颗粒牢牢地“锚住”，将提高合金硬度和耐磨性等力学性能[11]。在烧结过程中，一般来说，烧结温度也随碳含量的提高而降低。

碳含量的加入根据前期探索工作的结果，选取了碳含量重量百分为1.3％、1.4％、

1.5％、1.6％四种成分，铁粉含量则根据碳含量相应调整，使百分比平衡。此次实验的目的是通过实验探索出此成分下合适的碳含量。实验采用普通模压进行压制成形，压制压力为200MPa，然后试样在真空烧结炉中裸露烧结，烧结温度分别是1220℃、1240℃、1260℃，保温时间为0.5h。

表3-1 碳含量对WC钢结硬质合金性能的影响

烧结温度

1220℃ 碳含量 1.3％ 1.4％ 1.5％

1.6％

1240℃ 1.3％ 1.4％ 1.5％

1.6％

1260℃ 1.3％ 1.4％ 1.5％

1.6％ 硬度 40.3 47.4 55.6 49.9 41.8 49.3 56.8 51.2 47.6 51.7 48.0 53.4

3.2 工艺因素对钢结硬质合金的影响

经过成分的探索．试验确定本论文中碳化钨硬质合金合金基本化学组成是50％WC、

1.5％C、1.25％Cr、余量是Fe，为了探索出工艺因素对钢结硬质合金性能的影响，从而制定出合适的粉末冶金工艺参数，进而提高碳化钨钢结硬质合金的性能，论文就粉末冶金工艺的几个重要参数进行了试验的探索。

3.2.1 球磨时间对钢结硬质合金性能的影响

为了获得不同球磨时间对碳化钨钢结硬质合金性能的影响规律．试验确定三个不同的球磨时间18h、24h，30h。球料比为7:1(重量比)，转速为260r／min。经干燥后，粉末在225MPa下普通模压成形，然后在1240℃、1260℃的烧结温度下真空烧结。

表3-2 经过不同球磨时间烧结后样品的性能对比

温度

1240℃

1260℃ 球磨时间（h） 18 24 30 18

24

密度(g/cm) 10.30 10.45 10.33 10.38 10.59 3 硬度（HRC） 53.7 56.8 54.1 55.7 58.0

从表3-2中结果可以看出，在1240℃ 的烧结温度下，球磨时间24h的合金在密度，硬度和抗弯强度上性能都是最好的．球磨时间为18h和30h的合金产品性能则呈下降趋势，并且球磨时间为30h的合金在1260℃烧结时发生了流散的现象。

这是因为粉末球磨时间过长和过短对于合金都是不利的，球磨时间太短会导致粉料混合不均匀．在反复的球磨过程中，粉末变形积蓄了大量的空位、位错等缺陷，为烧结过程的原子迁移提供了更多的通道，从而增加了烧结的活性[18]。

如果球磨时间太长，球磨过程中粉末颗粒就会不断产生裸露的新鲜表面，粉末颗粒容易在球磨及随后的干燥过程中被氧化，导致粉末中的氧含量增大，从而降低了烧结过程中颗粒间的润湿性，导致孔隙增多，合金性能下降，并且球磨时间过长导致粉末活性增加，对烧结的敏感度增大，球磨30h后的粉末在1260℃时就发生的流散的现象。

3.2.2 烧结温度对钢结硬质合金性能的影响

烧结的目的在于使多孔的机械结合的粉末压块变成致密的冶金结合的合金．从而获得所需的物理机械性能，合金的最终性能取决于其组织结构，烧结过程对合金组织有着决定性的影响。烧结过程是一个复杂的过程，其中包括一系列的物理和化学变化。

影响烧结的因素有很多，如烧结温度、烧结时间、粉末粒度、压坯密度等．但是其中以烧结温度对于烧结后的性能影响最大。烧结温度的确定对于钢结硬质合金的生产有着重要的意义，钢结硬质合金由于粘结金属含量比较高，因而对烧结温度十分敏感，必须加以严格控制。

钢结硬质合金烧结温度取决于组元的相变温度，作为粘结相的铁粉、石墨粉、铬粉随着温度的升高，其原子扩散能力增强，当加热温度高于钢基体合金成分的共晶温度时。便开始形成液相，从而开始进行液相粉末冶金烧结。对于温度的主要要求是，在液相烧结过程中能够保证生成液相。在较高的温度下，界面的偏析也比较低，并且当烧结温度提高时，由于材料原子扩散速率提高和液相数量增加，其最佳烧结时间可以缩短。

可知化学成分为50％WC、1.5％C、1.25％Cr、47.25％Fe的合金，出现液相的温度大致在1170℃左右，结合有关文献中的报道，将会导致烧结温度比不含1.25％Cr的成分进行烧结的温度略有提高．而一般液相烧结也要求温度高于合金液相点温度50～100℃，因此烧结温度的范围为1220℃～1280℃，分为四个不同的烧结温度1220℃、1240℃、1260℃、1280℃真空烧结，保温时间为0.5h。烧结后试样性能如表3-3所示：

表 3-3 不同烧结温度烧结试样性能 烧结温度

1220℃

1240℃

1260℃

1280℃ 烧结体密度 （g/cm） 10.30 10.46 10.62 流散 3硬 度 （HRC） 55.3 56.1 58.7 流散

A B

C D

图 3-2 不同烧结温度的合金孔隙度观察照片

A 1220℃ B)1240℃ C 1260℃ D1280℃

为几种不同烧结温度的合金孔隙度观察照片，从图中我们可以看到。当烧结温度从1220℃升高到1260℃时，随着烧结温度的升高，合金孔隙度减小，并且孔隙尺寸变小，

到了1280℃烧结时，试样流散后的组织为细长条状的碳化钨晶粒，镉基体则看到很少。从本实验中我们可以得出，在正常的烧结温度范围内，合金的力学性能随着烧结温度的增加而提高，1260℃为本论文试验合金的最佳烧结温度[4]。

3.2.3 烧结保温时间对钢结硬质合金的影响

在保温阶段中，烧结体均匀而充分地收缩，有利于孔隙的逐渐消除，对于制品性能的改善是有利的。但如果保温时间过长，容易导致晶粒的长大，同时在真空中烧结时挥发也比较严重。所以有必要对适合的烧结时间进行研究。

选取烧结温度为1260℃，保温时间确定四个时间段，分别是0.5h、0.75h、l h、

1.5h，从表3-4中我们可以看到，保湿时间为0.75h合金的性能比0．5h略有提高，硬度(HRC)从58.7增加到60.2，但是保温时间增加到l h后，硬度和抗弯强度开始降低．保温时间增加到1.5h时合金的性能继续下降-通过此次实验，我们可以确定合适的烧结时间为0.75h。

表3-4 不同烧结时间产品的性能 烧结时间

硬度（HRC） 0.5h 58.7 0.75h 60.2 1h 59.9 1.5h 59.3

3.3 WC钢结硬质合金烧结体的显微观察

3.3.1 烧结体的显微观察和分析

论文对所制各的WC钢结硬质合金烧结体进行了金相观察。除孔隙率略有差异外．各工艺条件下的合金组织大体相似。图3-3是分别在1220℃、1240℃、1260℃三个烧结温度下的烧结体显微组织的观察照片。

A A

B

C

C

图 3-3不同烧结温度试样的显微观察

A 1220℃ B 1240℃ C 1260℃

从图3-3可以看到，在三个烧结温度下碳化钨钢结硬质合金烧结态组织金相观察差别不大，金相照片中都是由黑白区域交杂混合在一起，白色区域有毗连的现象，其中白色区域为碳化钨晶粒聚集体[9]。因不易受酸性试剂浸湿为显现为白色，粘结相钢基体受浸湿则为黑色，为了进一步观察碳化钨晶粒聚集的现象，把微观组织进行了SEM扫描电镜观察。

从扫描电镜照片中可以清晰地看到，烧结体显微组织为聚集的碳化钨晶粒团块分布在钢基体上，光学显微镜下看到的白色块状区域是由许多细小的耽晶粒聚集而成的，合金组织上残留了少量孔隙。尺寸大小在10μm以下，碳化钨晶粒出现了团聚的现象，并且成多边形的白色块状物，它们的边界清晰，棱角分明，较大的晶粒达到2μm左右，也有细小晶粒在在0.5μm以下。

3.4 热处理工艺对WC钢结硬质合金性能的影响

3.4.1 热处理工艺的概述

钢结硬质合金的性能取决于其化学成分和组织状态，组织状态可通过相应的热处理来改变，并借此使钢结硬质合金具有良好的可加工性和可锻性，或最终赋予合金以耐磨、强韧等优异性能。因此，热处理在钢结硬质合金制品的制备过程中，占据着十分重要的地位，它对钢结硬质合金以后的使用效果有着直接的影响。本文对碳化钨钢结硬质合金的热处理工艺进行了初步的探索和研究，主要包括退火、淬火、回火工艺，以期改善烧结态合金的性能，获得综合性能良好的钢结硬质合金[9]。

本文的热处理工艺是建立在第三章试验结果的基础上，对第三章中通过试验得出的最佳成分和工艺烧结出来的烧结体进行热处理试验。合金的具体成分是重量比50％WC、

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1.5％C、1.25％Cr、余量是Fe，粉末经24h球磨，干燥后在250MPa的压制力下压制成形，然后在1260℃下烧结，保温0.75h后冷却，在此工艺下制备热处理的试样。

3.4.2 退火工艺对烧结态WC钢结硬质合金的影响

对烧结态钢结硬质合金进行退火处理的主要目的是降低合金的硬度．改善可切削加工性，使其能顺利地承受各种类型的机械加工和其它加工，并为淬火处理做准备。由于碳化钨钢结硬质合金烧结态组织中含有重量比达50％的碳化钨硬质相，而在烧结后冷却过程中冷却速度较快，钢基体组织为细小片层状珠光体，因此合金的烧结态硬度较高．从前文研究结果来看，基本都在54HRC以上，最高可达60HRC以上，导致切削加工性比较差，故需要采用退火工艺降低硬度[20]。

钢结硬质合金退火加热温度根据其临界点而定，对于亚共析钢钢结硬质合金而言，其退火温度为

T退火=Ac3+（50~100℃）

对于过共析钢钢结硬质合金而言

T退火=Ac1+（50~100℃）

与合金钢相比较，通常钢结硬质合金的退火温度要高些。这是因为一方面钢结硬质合金的硬质相有阻碍奥氏体晶粒长大和促进珠光体转变作用：另一方面，较高的奥氏体化温度加热有利于碳化物的溶解。但是，过高的加热温度不仅举能迸一步降低退火硬度，而且还会造成碳化物的聚集粗化而降低退火效果。退火加热保温时间，以基体奥氏体化为宜。但不求奥氏体成分均匀化，退火加热时间过长也会造成碳化物的聚集，组织粗化现象。从金属学的观点来看，铁碳平衡相图及合金元素对钢基体组织与热处理的影响原理完全适用于钢结硬质台金[20]。

结合论文前期试验的探索，实验选定等温温度为700℃，740℃，分为700℃、720℃、740℃三个温度点保温，时间为3h。

图3-5 退火工艺示意图

结合论文前期试验的结果，本文选择退火温度范国为840℃～880℃，分为840℃、860℃、890℃三个温度点，保温时间分别是2h，3h，4h。

试验根据退火工艺，进行了系列的合金退火尝试，退火后合金的硬度值见表

表3-5 同退火温度对合金硬度的影响 加热温度

840℃

860℃

880℃ 保温时间 2h 3h 4h 2h 3h 4h 4h

3h

4h 700℃等温3小时硬度（HRC） 45.5 44.2 43.7 43.1 42.9 42.0 42.3 41.6 41.2 720℃等温3小时硬度（HRC） 45.1 43.5 43.1 43.0 42.4 41.8 41.9 41.6 40.8 740℃等温3小时硬度（HRC） 44.8 42.8 42.6 42.8 42.2 41.4 41.5 41.1 40.2

表3-5中我们可以观察到，从表的上方至下方，随着加热温度的提高和保温时间的延长，WC

钢结硬质合金的硬度呈总体下降趋势，在每一个加热温度下，硬度随着等温温度的提高而下降，当加热温度为880℃．保温4h后，试样在720℃等温3h时，硬度值为HRC40.8，在740℃等温3h时，硬度值为HRC40.2，都达到了硬度值在HRC40左右的要求，满足了机加工的需要，实现了试验预期的目标。

3.4.3 淬火工艺对烧结态WC钢结硬质合金的影响

钢结硬质合金的淬火是将其加热到I临界点以上的温度进行奥氏体化，经保温后。急速冷却以使钢基体转变为具有高强度的马氏体，从而赋予合金以高硬度与高耐磨性。因此，淬火是可淬火硬化型钢结合金热处理的关键性步骤。热处理恰当与否，决定了能否给钢结硬质合金工件的使用寿命以有利的影响。

图3-6 淬火工艺示意图

实验把经过淬火后的试样进行了性能的测试，表3-6为四个淬火温度下试样的硬度和抗弯强度的数值表：

表3-6 淬火试验后试样的性能

淬火温度

950℃

1000℃

1050℃

1100℃ 硬度（HRC） 66.4 67.1 66.6 66.2 抗弯强度（MPa） 2262 2389 2276 2243

从表中我们看到，在选取的四个淬火温度下，当淬火温度为1000℃时，试样的硬度值和抗弯强度达到了最大值，分别为HRC67.1和2389MPa，淬火温度高于1000℃后，合金的性能随淬火温度的提高呈下降趋势[10]。

随着淬火温度的提高，微细的合金碳化物溶入钢的基体中，使奥氏体中碳与合金元素的含量增多，淬火冷却后合金马氏体的硬度也随着提高；到了1000℃的淬火温度时，硬度达到了最高值，再继续升温，淬火后残余奥氏体含量增加，硬度又开始下降。

3.4.4 回火工艺对烧结态WC钢结硬质合金的影响

钢结硬质合金的回火工艺可以提高淬火钢结硬质合金工件的塑性和韧性．并消除淬火应力，但是为了保持淬火后所具备的强度和硬度，在生产中要选择适当的回火温度来达到一定的硬度、强度和韧性的配合，获得最终所需要的组织与性能。决定回火后组织与性能最重要的工艺参数是回火温度和时间。

确定回火温度的主要依据是回火温度与机械性能的关系嗍。钢结硬质合金属于脆性

耐磨材料范畴，在确定回火湿度时应特别注意消除工件的残余应力、提高韧性，以获得

较好的综合机械性能。根据工件所要求的机械性能不同，可分别选用低温、高温或中温回火。低、高温回火则根据模具的使用要求进行选择，对磨损要求较高的条件下工作时，可在较低的温度下回火，以获得较高的硬度与耐磨性，在受冲击负荷的条件下工作时，可在较高的温度下回火，以获得较高的强度和韧性[10]。

通常采用的低温回火温度在150℃～250℃之间，中温回火为350℃～450℃，而高温回为500℃～650℃，回火时间选取三个时间点，1.5h、2.5h、3.5h。回火试样是淬火实验后力学性能最佳的一组，即经过淬火温度为1000℃淬火工艺。

图3-7 回火工艺示意图

3.5 本章小结

论文试验采用常规粉末冶金的工艺，使用真空液相烧结法烧结WC钢结硬质合金，通过试验探索和研究了成分和工艺因素对WC钢结硬质合金性能影响，得出如下一些主要结论：

（1） 在本试验球磨时间范围内，最佳的球磨时间为24h，球磨24h的合金在1260℃的烧结温度下，烧结体的密度、硬度上性能最高。

（2） 当C的含量在1.5%时，制备的硬质合金的性能最好。

结论

本论文采用了粉末冶金的工艺，采用真空液相烧结法制备了致密度较高的盯钢结硬质合金．确定了合适的碳含量以及主要工艺参数，论文对烧结态的WC钢结硬质合金的熟处理工艺进行了探索和研究，确定了适当的退火、淬火、回火工艺参数，有效地提高了钢结硬质合金的综合性能，论文得出主要结论如下：

1、当混合粉末中碳含量加入量为1.5％C、1.25％Cr 47.25％Fe的合金烧结体孔隙度最小，力学性能在几个碳含量试验中最好。

2、在本试验球磨时间范围内，最佳的球磨时间为24h，与球磨时间为18h和30h相比，球磨24h的合金在1240℃的烧结温度下，烧结体的密度、硬度上性能是最好的。

3、在一定的烧结温度范围内，合金性能随着烧结温度的提高而增加，但过高的烧结温度会产生流散现象，实验结果显示，在1260℃烧结时合金的硬度、抗弯强度表现最好。在本论文的最佳烧结温度下，保温0.75h后合金烧结体性能达到了最高值。

致谢

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