等离子烧结

预处理工艺和放电等离子烧结制备超细晶WC-Co硬质合金
摘要
一种新的制备超细WC-Co晶体物质方法是先用球磨机粉碎混合粉末，然后SPS烧结粉体。

球磨机粉碎参数和预处理温度在很大程度上影响着WC-Co硬质合金的微观组织和性能。

即使预处理温度高达1300℃都能制备出粒径小于0.5um 的硬质合金。

最好条件的研磨、预处理和SPS烧结含有百分之十的Co的WC硬质合金能成功的得到非常好的力学性能，其中洛氏硬度为92.2HRA，断裂韧度为13.1MPam1/2，横向断裂强度为3100MPa。

1.引言
随着电子工业和汽车工业领域的高端技术要求，超细和纳米晶硬质合金的制备和生产在最近几年受到了广泛的关注。

在大量的文献中，用传统方法烧结得到小于1.0um的WC-Co硬质合金已有报道。

但是由于烧结过程的复杂性，传统烧结方法的许多不足，尤其是不能制备出小于100nm的WC晶体。

因此，一种新的烧结方法相继出现并表现出明显的优越性。

与传统的粉末冶金方法相比，等离子烧结有着加热和冷却的速度快、烧结时间短、压力可控的优点而受广泛关注。

由于等离子烧结中的烧结机理的特殊性，原粉体组份比例的多少影响着硬质合金的微观组织和性能。

SPS烧结法合成WC-Co硬质合金有很大的硬度和好的韧性，但是很少有文献报道它的强度或者得到的强度很低。

在这篇文章中，按照一定配比混合的0.8um的WC和0.8um的Co作为初始粉末。

先对研磨过的混合粉末进行预处理，再用SPS烧结处理过的粉末，这是制备超细WC-Co硬质合金一种新的方法。

结果表明，硬质合金粉末有着非常好的力学性能，尤其表现在高强度方面。

2.实验过程
含有百分之十的Co的WC粉体在乙醇溶液中用高能量的球磨机研磨24个小时。

实验中分别使用了钢球和粉体重量比为3:1和1:1. 把研磨之后的混合粉体在100℃干燥几个小时，再将混合粉体在真空干燥箱中分别用900℃和1300℃烘1
小时，然后将前处理过的混合粉体用1180℃的SPS烧结十分钟，烧结压力为60 MPa。

用场发射扫描电子显微镜观察烧结的WC-Co硬质合金块体的形貌和颗粒结构。

根据SEM的形貌可以算出硬质合金块体中WC的平均粒径尺寸。

利用Archimedes 原理测定烧结块体的密度，烧结块体的力学性能指标是洛氏硬度、断裂韧性和横向断裂强度。

3.结果与讨论
3.1.WC-Co烧结块体的微观组织
图1和图2是WC-Co烧结块体的微观组织，表明球粉重量比和预处理在很大程度上影响着WC-Co烧结块体的微观组织。

可以得出球粉重量比为1:1（图1（c）和图2（c））和球粉重量比为3:1（图1（a）和图2（a））相比前者试样中Co分布更均匀。

所以1:1的球粉重量比作为球磨研磨的参数能很好的得到均匀的WC-Co混合粉末。

而且由于Co相在高温的预处理中能得到很好的扩散，所以在1300℃的预处理比900℃的预处理能得到更均匀的Co相。

图1.(a)(b) 球粉重量比为3:1的球磨粉碎的WC-Co烧结块体的HRSEM照片；
(c)(d) 球粉重量比为1:1的球磨粉碎的WC-Co烧结块体的HRSEM照片。

共同条件：900℃预处理温度，1180℃SPS烧结。

图2. (a)(b) 球粉重量比为3:1的球磨粉碎的WC-Co烧结块体的HRSEM照片；
(c)(d) 球粉重量比为1:1的球磨粉碎的WC-Co烧结块体的HRSEM照片。

共同条件：1300℃预处理温度，1180℃SPS烧结。

3.2.WC-Co的烧结块体的密度和平均粒径
图3是WC-Co烧结块体的密度和平均粒径。

所有的样品都有很高的密度，密度为14.50g/cm3，这个数字很接近于WC-10Co硬质合金块体的理论密度。

SPS 烧结前的高真空预处理使得混合样品表面被吸附的气体释放出来，从而得到很高密度WC-Co的烧结块体。

所有的已烧结样品中所含有的超细WC的平均粒径为0.4-0.5um。

我们发现1300℃的高温预处理比900℃的预处理的混合样品的平均
粒径大一点点，这表明即使高温预处理过的样品平均粒径也不会增长多少。

图3.测得的烧结的硬质合金样品的密度和平均粒径
3.3.WC-Co烧结块体的力学性能
图4是烧结的硬质合金块体的硬度和横向断裂强度。

从图中可以看出，所有的样品都有很高的同等价值的硬度，大约为92.2HRA。

但是，横向断裂强度随着样品的不同而出现差异性。

从图4的比较中可以看出球粉重量比为1:1和球粉重量比为3:1的硬质合金块体相比有着更大的横向断裂强度。

甚至，1300℃的高温预处理比900℃的预处理的混合粉末有着更高的强度。

这主要是因为在1300℃时的高温能够使Co相能充分的分散并且相对的分布均匀。

均匀的微观组织在WC-Co烧结块体的强度上起着重要的影响。

表1是烧结的硬质合金样品已测得的力学性能。

这个已烧结的样品是球粉重量比按照1:1的比例进行研磨，预处理温度为1300℃，在1800℃进行SPS，从而得到的最大横向断裂强度为3100 MPa。

这些样品的断裂韧性都在12.0-13.0 MPam1/2，在表1中已列出。

图4.测得的烧结的硬质合金样品的硬度和横向断裂强度
表1. 烧结的硬质合金样品的力学性能
样品性能
900℃预处理，
然后1180℃SPS烧结
1300℃预处理，
然后1180℃SPS烧结球粉重量
比为3:1
球粉重量
比为1:1
球粉重量
比为3:1
球粉重量
比为1:1
密度（g/cm3）14.19 14.55 14.55 14.57
平均粒径（um）0.43 0.43 0.47 0.48
硬度（HRA）92.3 92.2 92.2 92.2 断裂韧性（MPam1/2）12.18 12.04 12.63 13.08
横向断裂强度（MPa）2350 2700 2840 3100
4.结论
一种新的成熟的方法已报道：先对研磨过的混合粉末进行预处理，再用SPS 烧结这个样品。

这个超细WC-10Co硬质合金块体的平均粒径不到0.5um，密度为14.50 g/cm3。

我们发现球粉重量比和预处理温度在很大程度上影响着WC-Co 硬质合金的微观组织和性能。

球粉重量比为1:1和球粉重量比为3:1的硬质合金块体相比有着更大的横向断裂强度。

高温预处理的混合样品有着更均匀的微观组织和更高的强度。

经过最佳条件下的球磨研磨、预处理和SPS烧结，硬质合金块体能得到最优的力学性能：强度为92.2HRA，断裂韧性为13.1MPam1/2，横向断裂强度为3100 MPa。