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钢结硬质合金覆层的微观结构分析
高建平1李炎1魏世忠2龙锐2
（1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003;
2.河南省耐磨材料工程技术研究中心，河南洛阳471003）
摘
要：采用液相烧结法将爆炸压实后的钢结硬质合金粉末复合在碳钢表面，成功获得覆层材料。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜对覆层及界面的微观结构进行了研究，结果表明：在烧结温度1282℃～1350℃时，界面组织为珠光体；在1350℃时，扩散层厚度可达30μm，而且钢结硬质合金/碳钢的界面为扩散型，界面结合良好。
关键词：钢结硬质合金；覆层材料；显微结构；界面
1
前言
钢结硬质合金是近30年才发展起来的一种新型工模具材料，它是在合金钢的基础上均匀分布30%～50%硬质颗粒经过烧结而成，既具有像硬质合金那样的高硬度、高强度、高耐磨性，又具有合金钢的可冷热加工性能，适于进行车、铣、刨、磨、锻等加工及热处理[1]。传统制备涂层材料的工艺很多：化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺、热喷涂工艺、激光熔覆工艺、自蔓延高温合成工艺、溶胶-凝胶工艺等。但传统的涂层工艺存在着各种缺点，主要是界面结合不稳定，涂层厚度较薄等。本试验利用爆炸压实成形技术将钢结硬质合金粉末在碳素钢凹形槽内压实成形，然后利用液相烧结工艺将钢结硬质合金粉末/碳钢复合，从而制备出具有良好结合界面、覆层较厚的覆层材料。这种新型覆层材料既保持了基体材料的高韧性，又具有钢结硬质合金的高硬度、高耐磨性和高化学稳定性等优点。本文利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜分析技术着重研究了钢结硬质合金/碳钢界面的微观结构。
2
试验方案
2.1
化学成分
试验所用钢结硬质合金粉末的组成为（wt%）：WC-50%，C-0.5%，Cr-1.41%,Fe-余量。
2.2
制造工艺
金属粉末需经过球磨混料，球磨混料的球料比为4∶1，装球量为球磨筒容积的40%，搅拌速度为35r/min，球磨体材质为WC-Co硬质合金球，直径为5mm～10mm。将混合均匀的金属粉末填入碳钢槽内并通过爆炸技术压实成形，钢槽深为10mm，粉末填充量高出钢槽深度3mm～5mm，爆炸压制成形后粉末的厚度接近钢槽深度。
将爆炸成形后的钢结硬质合金粉末/碳钢置于ZGL型真空烧结炉内，加热到Fe-C-W的共晶温度以上烧结，烧结温度可由试验成分下的Fe-C-W计算相图的垂直截面确定，结合Cr等元素对Fe-C-W体系相区的影响，结晶温度为1200℃左右，作者设定的烧结温度范围为1282℃～1350℃，保温时间为60min，真空度为103Pa。
2.3
测试方法
用WE-10A型万能材料试验机对试样进行剪切强度测试。用JSM-5160LV型扫描电子显微镜(SEM)、H-800型透射电子显微镜（TEM）对钢结硬质合金覆层和结合界面进行显微组织和相结构分析。
3
实验结果与讨论
3.1
硬质覆层的组织分析
3.1.1
烧结温度对覆层孔隙度的影响
图1是不同烧结温度下钢结硬质合金覆层的孔隙度（×100）。从图中可以看出不同烧结温度的钢结硬质合金覆层的孔隙度是有差别的。图1a是在1282℃烧结温度下得到的钢结硬质合金覆层，从孔隙分布情况可以看到，孔隙的形状不规则，数量较多；图b、c依次是在1335℃、1350℃烧结温度下得到的钢结硬质合金覆层，从孔隙的形状及分布情况来看，孔隙的数量依次减少，孔隙形状逐渐趋向圆整。
图2为孔隙度与烧结温度的关系曲线，从图中可以看到随烧结温度的升高，孔隙度降低。在烧结温度较低时，试样致密性差，孔隙多，孔隙大小不均匀、分布不规则；而在烧结温度较高时，孔隙的大小及分布较均匀。这是因为，烧结过程中形成闭孔以及孔隙收缩主要依靠体积扩散和塑性流动，在形成闭孔之后，表面扩散和蒸发凝聚对孔隙球化有作用。闭孔的球化进行的很缓慢，所以在低温烧结粉末制品中，多数孔隙形状不规则，而提高烧结温度可以加快闭孔的速度，并有利于孔隙球化[3]。因此，提高烧结温度，可以减少孔隙的数量，提高材料的致密度。
a 1282℃
b 1335℃
c 1350℃
图1
不同烧结温度下的钢结硬质合金覆层的孔隙度 ×100
图2
孔隙度与烧结温度的关系
3.1.2
烧结温度对覆层显微组织的影响
图3是钢结硬质合金覆层在不同烧结温度下经3%硝酸酒精溶液腐蚀得到的显微组织。烧结态覆层组织主要是碳化物+珠光体，属于过共析组织。对于粘结相而言，其珠光体的数量对钢结硬质合金的性能有重要影响，珠光体数量越多，强度和硬度越高。对比可以发现，各个温度下的显微组织均有不同形状、不同数量的珠光体出现。
a 1282℃
b 1335℃
c 1350℃
图3
不同烧结温度下钢结硬质合金覆层的微观组织
3.2
界面分析
3.2.1
界面组织
由于粘结金属与基体材料（碳钢）中Fe元素含量较高，铁在钢结硬质合金/碳钢中的显著扩散有利于界面的冶金结合。图4是不同烧结温度下钢结硬质合金/碳钢界面微观结构。可以看出：
（1）由图4可知在烧结温度为1282℃～1350℃时，界面处均形成有一个厚度不等的扩散层，覆层与钢基体的界面都有部分或全部的冶金结合。
（2）在界面处的扩散层有珠光体出现，图a中的珠光体排列有一定的顺序，珠光体的生长趋势垂直于界面；图b可以看到比图a明显的珠光体，珠光体团不太明显，杂乱无章；图d则可以看到大小合适、取向不同、合理的珠光体团，这有利于界面的结合强度。
3.2.2
界面厚度
从图4中还可以看出，界面处均形成有一个厚度不等的扩散层。在图a中，扩散层平均厚度大约为16μm，在图b中扩散层厚度为20μm～30μm左右，而图c中的扩散层厚度为26μm～38μm，这说明，随着烧结温度的提高，扩散层的厚度也随着增加。
a 1282℃
b 1335℃
c 1350℃
图4
不同烧结温度钢结硬质合金/碳钢界面微观结构
3.2.3
界面的元素分布
图5是1350℃时烧结态钢结硬质合金覆层/碳钢界面元素扩散图，可以看出界面处C元素的波形波动不大，扩散平稳；Cr的波形高度逐渐降低，说明Cr的扩散随着距离的增加是逐渐减弱的；而元素Fe则在界面处发生了强烈的扩散，波形高而平稳；W也在界面处发生了一定程度的扩散。由此可知，钢结硬质合金覆层/碳钢界面扩散层中主要成分为铁，并含有少量钨、铬等其它元素，在烧结过程中Fe、Cr、W、C等主要元素均发生了相互扩散。
图5
1350℃烧结态钢结硬质合金覆层/碳钢界面元素扩散图
3.2.4
界面的透射电镜分析
通过透射电子显微镜对界面进行分析，图6是1350℃烧结时界面处的微观组织(a)和选区电子衍射花样(b)，对两套电子衍射花样的标定如图b所示。其中晶带轴为[1-1-2]的衍射花样标定结果为含有Fe、Cr等元素的M23C6碳化物，这也说明了元素在烧结过程中发生了扩散；晶带轴为[0-0-2]的衍射花样标定结果为体心立方基体相。
a
界面的TEM形貌
b
电子衍射花样
图6
1350℃烧结界面微观组织和选区电子衍射花样
4
讨论
对于涂层/覆层材料来说，界面的结合强度是至关重要的。如果界面结合太弱，在载荷作用下涂层/覆层有可能脱落；并且由于涂层/覆层与基体的热膨胀系数不一致，在烧结冷却后将在材料中产生残余应力，因此界面结合机制是研究涂层/覆层材料的关键因素之一[4]。界面处的扩散与覆层和基体材料的相互扩散有着密切的联系，Kerans等将界面分为突变型、化合物型和扩散型三种[5]。界面间没有化学反应和元素扩散时，即形成突变界面；在界面附近发生相互反应形成化合物时，则得到化合物界面；当两者之间有一定的溶解度时便形成扩散界面，从界面结合强度看，突变界面最差，化合物界面和扩散界面最好。
由于在本材料中，粘结金属的主要成份是Fe、Cr等元素，所以覆层与钢基体的界面是扩散型的，即组成复合材料的原组成物质发生相互扩散，一方面，WC颗粒会随着温度的升高发生局部溶解，溶解后部分游离的C、W等原子向基体扩散迁移；另一方面，粉末中Fe、C等元素也会随着温度的升高向未溶解的WC颗粒表面上扩散富集，最终形成扩散层，并且界面处的扩散层比较明显。这对于加强界面的强度非常有利，原以为不会扩散的WC也出现了不同程度的渗透，虽然它的扩散量不大，扩散区域也比较窄，但是这样形成的界面结合强度显然要比突变型的好，这对于整个复合材料的综合机械性能显然非常有利。用万能材料试验机对试样进行剪切强度测试可知，在1282℃、1335℃两个烧结温度下试样的断裂发生在界面处，并且剪切强度不高；而在1350℃，其断裂发生在扩散层，剪切强度也达到了106MPa，远高于其它强度值，这说明在1350℃的烧结温度下覆层与碳钢间的冶金结合良好。
5
结论
(1)烧结温度对界面组织形态有影响，1350℃的烧结温度下在界面处形成了取向不同的珠光体团。
(2)烧结温度会影响扩散层的厚度，温度越高形成的扩散层越厚，在烧结温度为1350℃时扩散层厚度最多达到了30μm。
(3)钢结硬质合金覆层与碳钢的界面存在明显的元素扩散，在烧结温度为1350℃时覆层与碳钢的界面结合良好，界面类型为扩散型。
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