热处理态钢结硬质合金WC相析出微结构分析

收稿日期:2010年5月

热处理态钢结硬质合金WC 相析出微结构分析

赵一生1,3

,魏世忠2

,高志国

3

1深圳职业技术学院; 2河南科技大学; 3中南大学

摘要:利用SEM 研究了热处理后钢结硬质合金TLMW50复式碳化物中WC 相的析出及其微结构。结果表明:经过1100 淬火后烧结态钢结硬质合金TLMW50中主要复式碳化物Fe 3W 3C 、Fe 2W 2C 相发生析出分解,三角状、菱形状WC 相颗粒随机分布在Fe 3W 3C 、Fe 2W 2C 相颗粒上。淬火二次析出WC 相颗粒有利于提高烧结态钢结硬质合金TLMW50试样的硬度、耐磨性。XRD 衍射分析结果表明;在回火温度150 -250 范围内,随着回火温度的升高,WC 析出物数量明显减少。

关键词:热处理;钢结硬质合金;WC 相;析出;微结构中图分类号:TG135;TG161 文献标志码:A

Microstructure Analysis on Precipitation of WC Phase

in Heat Treated S teel bonded Carbide

Zhao Yisheng,Wei Shizhong,Ga o Zhiguo

Abstract:Precipi tation and microstructure of WC phase from mul tiple carbides in heat treated Steel bonded carbide TLMW50were investigated by SEM.The results showed that the precipitati on of WC phase from Fe 3W 3C 、Fe 2W 2C phase was observed in TLMW50as quenched in 1100 ,the triangular or rhombic WC phase precipitates were randomly distributed in Fe 3W 3C 、Fe 2W 2C phase particles.The precipi tation of WC phase was p ropitious to increase the ri gidity of the Steel bonded carbide TLMW50.The XRD diffracting results showed that T he numbers of WC phase precipi tates decreased wi th the increasing of temper temperature from 150 -250 .

Keywords:heat treat;s teel bonded carbide;WC phase;precipitation;microstructure

1 引言

近50年来,钢结硬质合金(简称钢结合金)作为一种新型工模具材料获得迅速发展。通过调整作为粘结相的合金钢的成分,使得在粘结相上均匀分布一定比例的WC 或TiC 硬质颗粒,经过烧结后可获得高硬度、高强度、高耐磨性的钢结硬质合金。作粘结相的合金钢可赋予钢结硬质合金抗氧化、耐高温、耐腐蚀和良好的物理机械性能等优异特性。钢结硬质合金综合了钢与硬质合金各自的特点,构成了自己独特的性能,成为一种介于钢和硬质合金之间的工程材料[1]。

烧结态钢结硬质合金试样的使用性能存在不足,需要进行进一步热处理。不过,正是因钢结硬质合金TLMW50具有可热处理等方面的优势,其应用前景非常广阔。高志国等[2]采用爆炸成形将金属粉末爆炸压实成形并采用低真空液相烧结工艺制得TLMW50钢结硬质合金材料,利用SEM 观察和磨粒磨损实验发现:经1050 淬火、150 回火热处理后可显著提高试样的磨粒磨损耐磨性。文献[3]报道了热处理对钢结硬质合金TLMW50态与分布的影响。TLMW50钢结硬质合金微观组织决定其力学等性能,硬质颗粒或碳化物的结构演变决定了合金材料的性能改变。通常认为钢结硬质合金中由复式碳化物来增强合金的性能,很少有文献报道淬火回火后的二次析出物可再次促进合金性能的提高。本文通过对热处理前后的TLMW50钢结硬质合金的微观组织中二次碳化物从复式碳化物上的析出行为进行研究,从微观分析角度阐述了二次W C 相析出物的形貌和尺寸,揭示了TLMW50钢结硬质合金淬火工艺处理的必要性和可行性。 2 试验

(1)试件的制作

将按照国家牌号TLMW50化学成分设计、配制、球磨、搅拌均匀的金属混合粉末添加1%-2%胶水作为成形剂和润滑剂后,填入模具内压实成形(TLMW50化学成分见表1)。将成形后的钢结合金粉末压坯置于ZGL 型真空烧结炉内进行液相烧结。利用Calphad 技术确定预烧温度为800 ,实际烧结温度为1350 ,保温时间为1h 。

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2011年第45卷 1

(2)试件的热处理

对烧结态钢结硬质合金TLMW50试样进行1100 淬火处理。采用箱式炉淬火加热,在淬火温度上保温0 5h,保温后迅速用油淬,在油中静置时间大约5-10min 。采用箱式炉对1100 淬火后试样进行回火处理,回火温度为150 -250 ,保温时间为2h,后空冷至室温。

(3)试件的SE M 观察

采用JSM-5610LV 型扫描电子显微镜(SE M)分析热处理前后钢结硬质合金TLMW50微观组织。 3 结果与讨论

3.1 烧结态复式碳化物形貌SEM 观察烧结态TLMW50试样显微组织中复式碳化物形貌的SE M 扫描照片如图1所示。由图可知,在烧结致密过程中,因WC 颗粒熔点较高,作粘结相的金属混合粉末部分变成液相,逐渐包覆未溶的硬质相颗粒,硬质相与基体之间存在化学反应,烧结态TLMW50的硬质相当量直径明显大于初始加入的WC 颗粒的粒度,这些形状各异、体积较大的硬质相是WC 与Fe

粉末等所形成的复式碳化物颗粒。

图1 烧结态TLMW50试样显微组织

中复式碳化物形貌SEM 像

3.2 WC 相析出SEM 观察

复式碳化物经过热处理以后发生形态上的变化,1100 淬火、150 -250 回火态试样显微组织SE M 像如图2所示。由图可知,图中出现两种形状不同的硬质颗粒,烧结态复式碳化物虽然还存在,但二次析出的形状规则颗粒数量明显增多,但仍然有!桥接∀大颗粒存在。依据文献[2],1100 淬火,150 、200 、250 回火均使得TLMW50组织发生转变,由碳化物+珠光体转变为碳化物+回火马氏体。图2a 显示了经1100 淬火、150 回火热处理后TL MW50的SE M 形貌,图中复式碳化物出现钝化现象,二次WC 相颗粒在复式碳化物上析出,形状有三角形状、长条状和菱形;由图2b 可见,经1100 淬

火、200 回火热处理后,在TLMW50试样中发现复

式碳化物上分布尺寸更小的三角形和正方形的二次W C 析出相颗粒;由图2c 可知,经1100 淬火、250 回火处理后的TLMW50试样复式碳化物上只见少量

的二次WC 析出相颗粒分布。

(a)150 回火 (b)200 回火 (c)250 回火

图2 经1100 淬火、不同温度回火后TLMW50试样

微观组织中复式碳化物的形貌

3.3 WC 相析出XRD 衍射分析

热处理前后试样的XRD 图谱如图3所示。由图可知,热处理前(烧结态)试样中没有WC 相衍射峰,淬火后试样中出现明显的WC 衍射峰。可见,SE M 观察结果与XRD 分析结果是一致的。大量WC 相颗粒在烧结过程中溶于粘结相奥氏体中形成了复式碳化物。混合粉末中WC 和Fe 会发生如下反应:

WC(初始)+Fe #Fe 3W 3C+Fe 2W 2C

(1)

然而,对于热处理后的复式碳化物而言,在低于烧结温度下进行淬火和回火加热,会导致复式碳化物中已经饱和的元素根据式(2)重新从Fe 3W 3C 和Fe 2W 2C 中分解析出,形成新的WC 相颗粒,并随机分布在复式碳化物上。

Fe 2W 2C+Fe 3W 3C #WC (二次)+Fe

(2)

依据文献[4],WC 的硬度为1430-1800HV,而

碳化物的硬度为1100-1330HV 。文献[5]中建立了硬质相和粘结相的硬度与合金的硬度之间的关系,即

H CC =H WC V WC C+H m (1-V WC C)

式中,H CC 、H WC 、H m 分别为合金WC 相和粘结相的硬度值;V WC 是粘结相的体积分数,C 是碳化物相的面

积分数。

显然,淬火和回火热处理对改善合金微观组织是必要的,淬火、回火析出WC 相颗粒有利于提高试样的硬度、耐磨性等性能。

(a)烧结态

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