粉末冶金法制备WC-Ni3Al复合材料的组织与性能.pdf

第1 7 卷第1 期 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f P o wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 2年 2月 F e b ． 2 0l 2 粉末冶金法制备 WC ． N i 3 A I 复合材料的组织与性能 龙坚战 一 ，徐 涛 一 ，彭 文 一，陆必志 1 , 2 f 1 ．硬质合金国家重点实验室，株洲 4 1 2 0 0 0 ；2 ．株洲硬质合金集团有限公司，株洲 4 1 2 0 0 0 摘要 在 WC粉末 中直接添加 Ni 、Al 元 素粉末 ，通过在液相烧结过程中反应合成 Ni 3 A 1 来制备 WC Ni 3 AI 复合 材料，对该材料进行组织结构观察及力学性能测定，分析铝含量对合金致密化和镍铝相形成种类的影响，并对材 料的抗氧化性能进行测试。结果表明，制备的 WC - N i 3 A 1 复合材料具有圆钝的 WC晶粒形貌，粘结相中除 Ni 3 Al 相外还有少量的Ni A1 和Ni 相； 铝含量对 WC - Ni 3 A1 材料致密度的影响主要与高熔点的Ni A1 的形成量有关。与普 通 WC 一 1 5 Ni 硬质合金的抗弯强度 1 9 0 0 MP a I 硬度 8 2 ． 6 r mA 相比， WC ． 1 5 Ni 3 A1 复合材料具有低的室温抗弯强 度和高的硬度，分别为 1 1 7 0 MP a和 8 6 ． 5 H R A。随 N i 3 A l 含量 质量分数 从 1 5 ％增加到 3 0 ％，WC - 3 0 Ni 3 A1 复合 材料的室温抗弯强度增加，而硬度降低，分别为 1 6 6 0 MP a 和 8 1 ． 7 HR A，其高温抗氧化性能比WC 一 3 0 C o - Ni - C r 硬质合金提高 1 个数量级 。 关键词WC - Ni A1 复合材料；反应合成；粉末冶金；性能 中图分类号T B3 3 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 0 2 2 4 2 0 1 2 1 - 0 6 3 0 6 M i c r o s t r u c t u r e a nd pr o p e r t i e s o f W C Ni 3 AI c o mp o s i t e s b y p o wd e r me t a l l ur g y L ONG J i a n ． z h a n 一， XU T a o ， 2 P ENG W e n‘ 一 ， LU Bi ． z hi 。 ， 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C e me n t e d C a r b i d e ， Z h u z h o u 4 1 2 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Z h u z h o u C e me n t e d C a r b i d e Gr o u p C o r p ． L t d ． ， Z h u z h o u 4 1 2 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e W C- Ni 3 A1 c o mp o s i t e s we r e f a b ri c a t e d b y p o wd e r me t a l l u r g y v i a r e a c t i o n s y n t h e s i s t o f o r m Ni s A1 b y t h e d i r e c t a d d i t i o n o f Ni a n d A1 d u ri n g l i q u i d s i n t e r i n g p r o c e s s ．Th e m i c r o s t r u c t u r e an d p r o p e r t i e s we r e o b s e r v e d an d m e a s ur e d ， r e s p e c t i v e l y ． Th e i n fl u e n c e s o f A1 c o n t e n t o n d e n s i fic a t i o n a n d p h a s e t y p e s o f n i c k e l a l u m i n i d e s we r e a n a l y s e d ． Hi g h t e mp e r a t u r e o x i d a t i o n r e s i s t a n c e wa s d e t e r mi n e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t W C g r a i n o f W C- Ni 3 A1 c o mp o s i t e s h a s s mo o t h t o p o gra p h y ． Be s i d e s m a i n Ni 3 A1 p h a s e ， t h e r e e x i s t s a s ma l l a mo u n t o f Ni AI a n d Ni p h a s e s i n t h e b i n d i n g p h a s e ． T h e d e n s i fi c a t i o n a ffe c t e d b y A1 c o n t e n t r e l a t e s t o t h e a mo u n t o f h i g h me l t i n g - p o i n t Ni A1 p h a s e ． W C 1 5 Ni 3 AI c o mp o s i t e h a s i n f e ri o r b e n d i n g s t r e n g t h o f 1 1 7 0] l P a a n d h i g h h a r d n e s s o f 8 6 ． 5 HRA a t r o o m t e mp e r a t u r e c o mp a r e d wi t h W C一 1 5 Ni c e me n t e d c a r b i d e ． As t h e c o n t e n t o f b i n d i n g p h a s e Ni 3 A1 i n c r e a s e s t o 3 0 ％ ma s s f r a c t i o n ， t h e WC - 3 0 Ni 3 A1 c o mp o s i t e h a s b e n d i n g s t r e n g t h o f 1 6 6 0 M P a a n d h a r dn e s s o f 8 1 ． 7 HR A a t r o o m t e mp e r a tur e an d i t s h i g h t e mp e r a t u r e o x i da t i o n r e s i s t a n c e i s a b o u t a n o r d e r o f ma g n i t u d e h i g h e r t h a n tha t o f WC 一 3 0 C o - Ni - C r c e me n t e d c a r b i d e ． K e y wo r d s W C- Ni 3 AI c o mp o s i t e s ； r e a c t i o n s y n t h e s i s ； p o wd e r me t a l l ur gy ； p r o p e r t y 硬质合金具有很高的强度和硬度，广泛应用于切 削刀具，矿山工具，耐磨件及挤压模等领域[ ” 。硬质 合金的成分主要由高硬度的硬质相 WC ／ T i C和塑性的 粘结相 C o 、Ni 、F e等金属组成，其中塑性粘结金属 主要是作为第二相用于改善合金的韧性 。由于 c o 、 N i 、 F e 粘结相很难适应酸性、高温等恶劣工作环境【 ， 基金项 目国家重点基础研究发展规 1J 9 7 6 计划 前期研究专项 2 0 1 2 C B 7 2 3 9 0 6 收稿日期2 0 1 1 - 0 9 ． 0 9 ；修订 日期2 0 1 1 - 1 0 2 4 通讯作者龙坚战，工程师，硕士。电话0 7 3 1 - 2 8 2 6 5 6 3 4 ； E - ma i l l o n g j i a n z h a n y a h o o ． t o m．c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 7 卷第 1 期 龙坚战，等 粉末冶金法制备 WC - Ni3 AI 复合材料的组织与性能 ． 2 0 ％ 、1 3 ． 3 ％ 原子分数 为 2 5 ％ 和 2 3 ． 5 ％ 原子分数 为 4 0 ％1 。分别在 1 2 0 0 、1 3 6 0 、1 4 0 0 、1 4 2 0 、1 4 5 0 、 和 1 5 0 0℃温度下烧结后，进行密度、硬度测定和物 相分析 ，并观察其断 口形貌。 采用阿基米德方法测定样品密度； 采用 C u靶 x射线衍射分析仪在 4 0 k V， 4 0 m A和 2 - 3 ／ mi n 条件 下进行物相分析；用扫描电镜观察断口形貌 型号 J S M． 6 7 0 1 F ，3 e o l ，日本 ；用三点弯曲法测定试样 尺 寸为 5 ． 2 5 mmx 6 ． 5 minx 2 0 m m 的抗弯强度；用洛氏硬 度计测定合金的硬度。 选择 WC 一 1 5 ％Ni 3 A I 、 WC 一 3 0 ％Ni 3 AI 、 WC - 2 0 ％ C o N i ． C r 和 WC 一 3 0 ％ C o - Ni C r 等 4种试样进行氧化试 验，试样的直径为 5 0 m m，高 5 r n l n 。试样表面经磨 平，抛光处理后，放置在普通热处理炉中进行氧化实 验，即在通入空气条件下加热到 8 0 0℃保温 2 h后， 用天平 精度为万分之一克 称量试样氧化前后 的质 量，用单位面积的质量增量来表征氧化情况，增量越 小，试样的高温抗氧化性能越好。 2 结果与讨论 2 ． 1 WC ． N i 3 A I 复合材料的组织 WC 一 1 5 N i 3 A1 和WC ． 3 0 Ni 3 A I 复合材料的显微组织 如 图 2所示 。从 图可 以看 出，WC晶粒形状 不同于普 通 WC ． C o硬质合金 的棱柱刻面形状 ，而是呈圆钝 形 状。这可能与烧结过程中 N i 3 A l 对 w 和 C的溶解析 出有 关。WC ． 3 0 Ni 3 A I合金 中的粘 结相具有不 同的相 成分，能谱分析结果列于表 1 。图 2 f b 中“ 2 ” 位置的镍 铝原子 比接近 3 1 ，为 N i 3 Al ，而“ 1 ” 位置 的铝含量较 “ 2 ” 位置的铝含量高，X R D 分析结果表明存在少量的 Ni A l 和 Ni 相 。 表 1 WC ． 3 0 N i 3 A I 合金的能谱分析结果 T a b l e 1 Re s u l t s o f e n e r g y s p e c t r u m a n a l y s i s f o r WC - 3 0 Ni 3 A1 a l l o y At o mi c f r a c t i o n ， ％ A r e a s c a n n i n g ⋯ 1 ’ p o i n t i n F i g ．2 b ⋯ 2 ’ p o i n t i n F i g ．2 b 2 ． 2 铝含量对合金致密化的影响 WC 一 1 5 ％ Ni A1 压坯分别在 1 2 0 0 、1 3 6 0 、1 4 0 0 、 1 4 2 0 、1 4 5 0 和 1 5 0 0℃下烧结后的相对密度如图3 所示。由图可见粘结相为Ni 的合金 即WC ． 1 5 Ni 合 金1 在 1 3 6 0℃烧结后，相对密度达 9 9 ． 5 ％，接近全致 密；粘结相为 Ni ． 1 0 ． 3 ％A1 的合金需在 1 4 0 0℃以上烧 蚤 夏 图 2 WC ． Ni 3 A1 合 金的显微组织 F i g ． 2 M i c r o s t r u c t u r e s o f W C Ni 3 A1 a l l o y s a 卜 WC 一 1 5 ％Ni 3 A1 ； b C - 3 0 ％Ni 3 AI S i n t e r i n g t e mp e mt u r e ／ C 图 3 WC- 1 5 ％ Ni - AI 合金的相对密度 随烧结温度的变化曲线 F i g ． 3 R e l a t i o n s b e t w e e n r e l a t i v e d e n s i t y o f WC 一 1 5 ％ N i A 1 a l l o y s a n d s i n t e r i n g t e mp e r a t u r e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 2年 2月 结才能达到近全致密，而粘结相为 Ni 一 1 3 ． 3 ％A 1的合 金 1 1 wc ． 1 5 ％Ni 3 A 1 合金 则需在 1 4 5 0℃以上才 能达 到近全致密 。图 4所示为 WC ． 1 5 ％ i 一 1 3 ． 3 ％A 1 压坯 在经过 1 2 0 0℃和 1 4 0 0。 C 烧结后的断 口形貌 ， 可 见在 1 2 0 0℃时就 出现 了烧结颈 ， 在 1 4 0 0℃时合金样 品中 仅有少量孔隙。对于粘结相为 Ni ． 2 3 ． 5 ％A 1的合金来 说，密度随烧结温度变化很小。 图 4 不同烧结温度下 WC 一 1 5 Ni 3 A1 合金的断口形貌 F i g ． 4 F r a c t u r e mo r p h o l o g i e s o f WC一 1 5 Ni 3 Al a t d i ff e r e n t s i n t e r i n g t e mp e r a t u r e a 卜 1 2 0 0℃； b - - 1 4 0 0℃ 对 1 4 5 0℃温度下烧结的 WC ． 1 5 ％ Ni A1 试样进 行 X 射线衍射分析 ，结果如 图 5 所 示。粘 结相为 Ni 一 1 0 ． 3 ％A 1 和 Ni ． 1 3 ． 3 ％A1 的合金 的主要成分为 WC和 Ni Al ，而粘结相为 N i ． 2 3 ． 5 ％ A1 的合金的主要成分为 WC和 Ni AI 。由于 Ni A1 为高熔点 1 6 3 8℃ 相，在低 于其熔点温度烧结时，合金在烧结过程中不出现液 相，试样尺寸几乎没有收缩。 2 ． 3 力学性能 烧 结 后 获 得 的接 近 全 致 密 的 WC 一 1 5 Ni 、WC ． 1 5 N i 3 A1 和WC 一 3 0 Ni 3 AI 合金的硬度和抗弯强度列于表 2 。从表 2可以看出， WC ． 1 5 N i 3 A I 合金的强度较 WC ． 1 5 N i 低 7 0 0 MP a 左右， 而硬度高约 4 HR A， 这主要与 Ni 3 A l 和 Ni 具有 不同硬度n 】 以及合金中粘结相 的体积 分数不 同有关 。随粘结相 N i A1 的质量分数从 1 5 ％增 加到 3 0 ％，合金强度从 1 1 7 0MP a 增加到 1 6 6 0 MP a ， 硬度降低到 8 1 ． 7 H R A。 v - 一1 Al W C 1 5 ％ 7 Ni W C． 1 5 ％ 、 i 5 1 -13．3％ A IL ． ～ W C． 1 5 ％T 一 I曼 Ni ■ I 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 2 o ／ 。 图 5 1 4 5 0℃温度 下烧 结的 WC 一 1 5 ％ Ni AI 合金 的 X RD谱 F i g ． 5 X R D p a t t e rns o f WC - 1 5 ％ N i A1 s i n t e r e du n d e r 1 4 5 0℃ 表 2 WC f N i A 1 合金的力学性能 T a b l e 2 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f WC f Ni - A1 a l l o y s 2 ． 4 抗氧化性能 以单位面 积 的质量 增量 来表 征合 金 的抗 氧化 性 能，即质量增加越小，合金的抗氧化性越好。在通入 空气条件下将 WC ． 1 5 N i 3 A 1 、 WC 一 3 0 Ni 3 A 1 、 WC - 2 0 C o - N i ． C r l WC ． 3 0 C o - N i C r 等 4 种合金样 品加热到 8 0 0 ℃保温 2 h 后 ，其质量增量如图 6所示 。 从图6可见，随C o ． N i ． C r 粘结相增加，合金的质 量增量减小，即抗氧化性能越好，这与文献[ 1 ] 的结果 是一致的。具有相 同质量分数粘结相 的合金，WC N i 3 A l 比WC ． C o ． N i ． C r 的抗氧化性能提高近 1 个数量 级。氧化前后合金表面形貌如图 7所示。WC N i 3 A1 合金呈现出不同于 WC ． C o ． Ni C r 硬质合金的表面颜 色，说明氧化表面产生了不同物质。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 2年 2月 4 结语 在烧结过程中通过镍铝元素粉末原位合成 N i Al ， 虽然这种方法所用的元素粉末原料成本低，粉末的压 制性和成型性好，容易实现大批生产。但采用的原料 粉末的氧含量和杂质含量较高。且反应合成属于放热 反应，容易造成合金变形，并且反应合成过程中产生 柯肯达尔效应，出现较多的孔隙，不容易实现材料的 全致密化 。同时，镍铝反应生成相 的控制也是 1 个重 要的方面，这需要对该制备工艺进一步研究。此外， 还需要建立对这种材料的室温性能评价体系。 【 2 ] 【 3 ] [ 4 ] REFERENCES AR I S T I Z A BA L M，RO DR I G UE Z N，I BAR R E T A E e t a 1 ． Li q ui d p h a s e s i n t e r i n g a n d o x i d a t i o n r e s i s t a n c e O f W C- Ni - Co - Cr c e me n t e d c a r b i d e s[ J 】 ． I n t ． J o u r n a l o f Re f r a c t o r y Me t a l sHa r d Ma t e r i a l s ， 2 0 1 0 ， 2 8 4 5 1 6 5 2 2 ． S UBRAMANI AN R．S CHNEI BEL J H．I n t e r me t a l l i c b o n d e d WC b a s e d c e r me t s b y p r e s s u r e l e s s me l t i n fi l t r a t i o n [ J ] ． I n t e r me t a l l i c s ， 1 9 9 7 ， 5 5 4 0 1 - 4 0 8 ． P L UC K NE T T K P ， T I E GS T N， BE CH E R P F ， e t a 1 ． D u c t i l e i n t e r me t a l l i c t o u g h e n e d c a r b i d e ma t r i x c o m p o s i t e s[ c ] ／ ／V i c t o r Gr e e n h u t ． P r o c e e d i ng s o f t he 2 0 t h Ann u a l Co n f e r e n c e o n Co mp o s i t e s Ad v a n c e d Ce r a mi c s ，Ma t e ria l s ，a n d S t r u c t u r e s - A Ce r a mi c En g i n e e r i n g an d Sc i e n c e P r o c e e d i n gs ．Co c o a Be a c h， F l a ． US A Ame ric an Ce r a mi c S oc i e t y , 1 9 96 1 0 6 1 1 5 ． 董虹星，贺跃辉． Ni 3 Al金属间化合物的研 究进展 [ J 】 _粉末冶 金材料科学与工程， 2 0 0 9 ， 1 4 2 8 3 8 8 ． DONG Ho n g x i n g ，HE Y u e h ui ．P r o g r e s s i n r e s e a r c h o n Ni 3 AI i n t e r me t a l l i c a l l o y s【 J 】 ． Ma t e ri a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g o f P o wd e r Me t a l l u r g y , 2 0 0 9 ， l 4 2 8 3 8 8 ． [ 5 】 陈金护，朱定一，林登宜． Ni 3 Al 基合金的研究与应用进展[ J ] ． 材料导报， 2 0 0 6 ， 2 O 1 3 5 3 8 ． CHEN J i n - lu， ZHU Di n g - y i ，L I N De n g - y i ． Ad v a n c e s i n Ni 3 AI b a s e d a l l o y s r e s e arc h a n d a p p l i c a t i o n [ J 】 ．Ma t e r i a l s Re v i e w , 2 0 0 6 ， 2 O 1 3 5 3 8 ． 【 6 】 AOK I K， I Z U MI O． I mp r o v e me n t i n r o o m t e mp e r a t u r e d u c t i l i ty o f L1 2 t y p e i n t e r me t a l l i c c o mp o u n d Ni 3 A1 b y b o r o n a d d i t i o n【 J 】 ． J J p n I n s t Me t ， 1 9 7 9 ， 4 3 1 2 1 1 9 O 一 1 1 9 6 ． [ 7 ] T uMA N0V A、 ‘G Os T E V YU P ANOV V S ， e t a 1 ． We t t i n g 0 f T i C WC s y s t e m c arb i d e s w i t h mo l t e n Ni A【 J 】 ．S o v i e t P o wd e r s Me t a l l Me t a l C e r a m， 1 9 8 6 ， 2 5 5 4 2 8 - 4 3 0 ． [ 8 】T I E GS T N，AL E XAND E R K B，P L UC KNE T T K e t a I ． C e r a mi c c o mp o s i t e s wi t h a d u c t i l e Ni 3 AI b i n d e r p h a s e [ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g A， 1 9 9 6 ， 2 0 9 1 ／ 2 2 4 3 2 4 7 ． 【 9 】 BE cH E R P AUL E P L U CK NE T T KE V I N e t a 1 ． P r o p e r t i e s o f Ni 3 Al - b o n d e d t i t ani u m c arb i d e c e r a mi c s【 J 】 ．J o u r n a l o f the Eu r p e an Ce r a m i c S o c i e t y , 1 9 9 7 ， 1 8 3 9 5 - 4 0 0． 【 1 O 】 AHMAD I A N M， WE x L E R D， C AL K A A， e t a 1 ． L i q u i d p h a s e s i n t e r i n g o f W C- F e AI an d W C- Ni 3 A1 c o mp os i t e s wi th an d wi t h o u t b o r o n【 c ] ／ ／ T e t s u o S a k a i ， T o r r a l b a J o s e M． T HE RME C t 2 0 0 3 I n t e rn a t i o n a l Co n f e r e n c e o n P r o c e s s i n g M an uf a c t u r i n g o f Ad v anc e d Ma t e ri a l s ． the Un i v e r s i ty o f V i r g i n i a ， US A T r a n s Te c h P u b l i c a t i o n s ． 2 0 0 3 1 9 5l 一1 9 5 6． 【 l l 】 A HMAD I AN M， WE XL E R D， CHA NDR A T ， e t a 1 ． A b r a s i v e we ar o f WC- F e A1 一 B and WC Ni 3 A - B c o mpo s i t e s【 J 】 ．I n t ． J o u r n a l o f R e f r a c t o ry Me t a l s Hard Ma t e ri a l s ， 2 0 0 5 ，2 3 3 1 5 5 -1 5 9 ． 编辑汤金芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m