高能球磨制取超细硬质合金的研究.doc

高能球磨制取超细硬质合金的研究 高能球磨制取超细硬质合金的研究 王兴庆，郭海亮 上海大学材料学院 摘要：超细硬质合金具有优异的力学性能，但制备困难，本钱高本文通过高能球磨的方法制得 微纳米粉末，然后采用压制和烧结法制取超细硬质合金研究了高能球磨对粉末的破碎作用，并 通过改变球磨时间获得不同粒度的硬质合金粉末原料结果说明球磨时问可以改变超细硬质合金 晶粒度大小，球磨时间越长，粉末颗粒度先减小后增大晶粒度大小对于超细硬质合金强度、硬 度等合金的力学性能有重要影响 关键词：高能球磨，硬质合金，超细晶粒 1引言 硬质合金因具有高的强度、硬度以及优良的耐磨性和抗氧化性，被广泛应用于机械加工、石 油、矿山、模具和结构耐磨件等领域n’21硬质合金是由难熔金属硬质相和粘结金属组成其力 学性能与其组成相的各自分量有密切的关系如WC-Co硬质合金，增加WC含量会提高零件的硬 度、增加耐磨性和耐蚀性，增加Co含量可提高强度、韧性和改善加工性能。

除此之外，硬质合 金的力学性能与两相的结合强度、两相的分布、两相的晶粒大小和分布，尤其是硬质相的大小和 分布，有密切的关系在同一成分的根底上要提高其力学性能，最有效的方法就是将晶粒细化， 制备超细硬质合金和纳米硬质合金现已证实，当wC晶粒进入纳米尺度时，硬质合金的硬度、 韧性、耐磨性、抗热震性、热导率及抗氧化性均能得到显著提高，并且烧结温度降低超细晶硬 质合金 合金中wC晶粒平均尺寸为0??1’0??6um 具有高强度、高硬度、高耐磨性等优良性能， 满足了现代工业和特种难加工材料的开展∞’41晶粒细化对合金性能的有利作用的机理，目前研 究尚待深人一般认为可能与晶粒尺寸细化后，晶体外表原子数量显著增多，晶界密度增大，以 及外表电子结构和晶体结构发生变化有关嵋’61 要制取超细硬质合金材料相当困难，主要在于两方面，一是制取超细甚至纳米的粉末，二是 必须抑制晶粒在烧结中的长大并且要制备优质的硬质合金，这不仅要求粉末原料的粒度要控制 在微纳米级别，且粒度分布要窄当然合金的相组织控制也非常关键，尤其是碳的控制n吲目 前微纳米硬质合金粉末的制备技术主要有以下几种： 1．低温复原破化法 该方法是在常规复原碳化法的根底上加以改良来制备微纳米硬质合金 粉末，采用低温顺氢工艺将生产原料中钨酸钱、氧化钨或钨酸复原制成微纳米级的钨粉，随后同 样在低温下将钨粉碳化成微纳米级wC粉末u叫。

2．机械合金化法 MA 它是一种采用机械力化学合成微纳米硬质合金粉末的传统方法，即将 欲合金化的假设干种元素粉末按一定的比例放人球磨筒中，在惰性气氛的保护下长时间运转进行 高能球磨，粉末颗粒经过反复研磨、破碎、挤压、冷焊及机械力作用下的低温固相化学过程，最 后得到组织和成分均匀的合金粉末u¨ 128 3．喷雾枯燥法n2J31又称热化学合成法，目前工业化批量生产wc―Co复合粉的主要方法，该法 溶液与氯化钻 CoCI??nH20 混合形成原始溶液，经雾化枯燥形成化学成分均匀、细小的钨和钴盐 混合物，再将混合粉体在流化床中复原和碳化而得到纳米相WC-Co粉体 4．气相反响法这是利用气相化学反响沉积原理制取粉末的一种方法，即在设备里将金属或 合金蒸发气化后与活性气体在一定温度下产生化学反响，生成金属化合物，然后冷凝得到微纳 米级化合物粉末 上述这些方法中以高能球磨最为简单和效果最好因此本文将研究用高能球磨制取硬质合金 原料粉末，在通过压制和烧结法获得超细硬质合金本文将研究高能球磨的作用和球磨条件对粉 末粒度的影响。

2实验方法 u 选用高纯度的钴粉和0．8m碳化钨粉作原料，按WC-IO％Co配制碳化钨、钴粉末，按9：1的球 料比进行高能球磨，高能球磨机为QM―IF型行星式球磨机球磨时间按24d"时为一个节点，分别 通过压制和烧结制取硬质合金试样，不同球磨时间的粉末试样在同一条件下烧结然后进行强度 和硬度的测试，并进行金相分析 3实验结果及分析 3．1球磨时间对于粉末粒度和晶粒度影响 表l是测得的Fsss粒度由表可见粉末粒度随球磨时间延长而降低，但降低到一定程度 后反而变粗而晶粒度一直都是降低的，粉末颗粒和晶粒是不同的概念颗粒是钴粉包裹的多个 晶粒组成的，随着球磨的进行，在粉末颗粒破碎的同时颗粒外表的钴和钴之间也会发生粘结，即 冷焊，因此在球磨到一定程度时，颗粒粘结大于破碎，那么颗粒粒度增加，最后维持在一定的平衡 状态所测得的晶粒度通常是wc晶粒，wC是一种脆性相，球磨时容易被破坏脆断，由于钴粉的 包裹很难发生wc晶之间的冷焊，因此晶粒度是一直是降低的结果说明高能球磨可以有效的粉 碎wc晶粒，并通过延长球磨时间获得更细的晶粒度。

球磨96个小时可得到35nm晶粒度的粉末 129 0．9 0．8 0．7 0．6 童 00．5 魁0．4 梨 0．3 0．2 0．1 0 0 24 48 72 球磨时问 h 图1粉末粒度和球磨时间的关系 童 V 魁 袋 噶 篓 0 24 48 72 96 球睁珂伺 小Ⅱ寸 图2WC晶粒度与球磨时间的关系 3．2烧结后的组织结构 图3是烧结后所得到的金相组织，图中清楚地说明球磨时间对晶粒大小、形状和分布的影响。

随着球磨时间的延长，烧结后的晶粒明显细化，而且晶粒大小趋于均匀，并且wC晶粒也更为分 散这是两方面的原因，～是通过球磨wc晶粒本身被细化和均匀化，说明球磨不仅使wC晶粒破 碎，而且更加均匀化；二是烧结过程中形成的，烧结过程只会使颗粒粗化和由于异常长大的不均 匀化，而异常长大通常是球磨时问越长越严重，这是以为球磨会使得晶格畸变，促使晶粒的异常 长大，但本实验结果并非如此，晶粒大小的均匀化而是随球磨时间的延长而趋于均匀很显然 WC晶粒的均匀化是球磨的作用由此可见高能球磨可以使wc晶粒细化和均匀化 130 图3不同球磨时间粉末烧结后的金相组织 a-24，b_48，c_72，d96 3 3球磨时间对超细硬质合盒力学性能的影响 表1和表2是所测得的抗弯强度和硬度，由表可见强度和硬度均随球磨时间延长而增加 由前面的分析，球磨时间越长，烧结试样中的毗晶粒越细而且分布越均匀这说明抗弯强 度和硬度是随着晶粒的细化而同时增加的。

在微米级以上的晶粒范围内，硬质合金的强度和硬度 通常是相反的，即抗弯强度增加．硬度会降低，反之亦然而在此那么是同时提高的，很显然高能 球磨后，所制得的硬质合金已到达微纳米级的粒度范围本研究的硬质合金硬度提高非常明显． 一般霄c一]0％Co硬度在H融0l左右，而这里己高达928这说明晶粒细化对硬质台金有非常强的 强化作用 表l球磨时间对抗弯强度的影响 4结论 本文针对盯．co超细硬质合金球磨时问与晶粒度大小的关系，晶粒度与强度、硬度的关系作 出了初步研究．得到咀下结论： 1 高能球磨对忱晶粒有非常强的破碎作用，骶晶粒度随着球磨时问的增加而细化而对于 131 粉末颗粒度球磨时间有个临界点，到达临界点，硬质合金晶粒度最低，_向后，随着球磨时间的增 加，晶粒反而会变粗 2．通过高能球磨可得到微纳米晶粒度的硬质合金，并且wc晶粒更为均匀和分散 。