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硬质合金球

钨合金的组织性能与工艺

2020-04-08

钨合金的组织性能与工艺

钨合金的性能对工艺、杂质和显微组织十分敏感。好的性能取决于合金的成分、烧结温度、保温时间、冷却速度、烧结后处理等一系列工艺参数的控制。合金的显微组织特征与合金的断裂方式和性能有着很大的关系。W晶粒大小、W颗粒连接度、组织均匀性孔隙、杂质偏析等显微组织决定了合金的断裂方式,从而决定了合金的性能。

晶体粒尺寸

W晶粒尺寸取决于W粉的原始粒度、W-W颗粒连接度以及烧结条件,还取决于钨在黏结相中的溶解度。采用粒度细的W粉和较低的W含量使W晶粒连接度降低以及快的冷却速率都有助于得到较均匀的细W晶粒,提高合金的强度和硬度。此外,W相在黏结相中的溶解度大小也影响W晶粒的大小。在W-Ni-Fe合金中添加难熔金属Mo、Ta、Re等,可降低W在液相中的溶解度、细化W晶粒,提髙合金的强度和硬度。

W-W颗粒连接度

W-W颗粒连接度表示在钨合金的显微组织结构中W晶粒与W晶粒接触的程度。W颗粒连接度可用下式表示:

钨合金的组织性能与工艺

式中,Cw-w为W颗粒连接度;Sw-w为单位体积中的W-W颗粒接触面积;Sw为单位体积中的W颗粒表面积;Nss为单位长度上的W-W颗粒间的截距;Ns1为单位长度上W-黏结相的截距。

W-W颗粒连接度的高低直接影响合金的强度和延性。W-W界面强度最弱,在应力作用下裂纹容易在W-W界面萌生并沿此界面扩展,随WW界面断裂数量增加,合金呈现脆性断裂特征。W-W连接度髙说明此时W与W接触的界面增加,合金由延性断裂向脆性断裂转变。W-W颗粒连接度与合金中的W含量直接相关。随W含量增加,黏结相数量减少,W-W颗粒连接度增加,当W含量大于97%时,由于W含量很高,液相烧结时合金发生全致密化的同时伴随着钨晶粒的过度长大,W-W颗粒连接度很高,合金的强度和塑性急剧下降。当Cw增大时,W-W界面断裂增加,合金的强度和塑性变差。Cw与*大伸长率e的关系为:

钨合金的组织性能与工艺

当Cw为0.6时,Cw对强度和伸长率的影响都不是很大。当Cw接近于1.0时,延性急剧降低。细化W晶粒、降低W含量都可降低W颗粒的连接度。在W含量一定时,Cw的大小决定于二面角,二面角增大,Cw增大。添加合金元素可以改善液相对W相的润混性,可以降低二面角,从而提高合金的延性。例如在 W-Ni-Fe合金中添加Co和Mn,可以改善黏结相对W相的湿润性,降低W颗粒的连接度,黏结相呈延性撕裂和W颗粒解理断裂增加,从而提高合金的强度和延性。

组织均匀性

组织的均匀性是指黏结相与W相分布的均匀性。黏结相分布不匀,对合金性能影响很大。在液相烧结时,由于固相(密度为193g/cm3)与液相(密度为10.2g/cm3)的密度差别很大,在重力的作用下,产生黏性流动,发生变形与相分离。烧结温度、成分和重力因素都会导致相分离和W颗粒的连接度发生变化,W相成分沿重力方向呈梯度变化,从而产生密度、硬度等性能的变化。密度变化与W相体积变化有着很大的关系:

钨合金的组织性能与工艺

式中,Vs为固相W的体积分数;ps为固相W的密度;p1为液相的密度。

相分离的现象取决于固相/液相的体积比。当W相的体积分数小于78%时,液相过多,产生变形与相分离。当W相的体积分数大于78%时,也有相分离的现象。在W-Ni-Fe高密度合金中,发生黏性流动的极限体积分数为89%,亦即,不发生变形所需的W相体积分数的*低下限为89%。W含量对应的W相体积分数和黏结相y体积分数列于下表:

钨合金的组织性能与工艺

采用高的固相体积和大的毛细管力,以及在液相烧结前采用固相烧结产生W骨架,都有助于阻碍相分离,显微重力烧结可以进一步阻碍非显微组织和物理性能的非均匀性。

孔隙大小与孔隙度

孔隙来源于包围在孔隙里的气体和冷却时的凝固收缩。孔隙大小和孔隙度很重要,弥散分布的小的球形孔隙对性能的影响不大,大的孔隙对性能非常有害。当孔隙度大于0.5%~1.0%时,对力学性能影响很大,尤其是延性。气氛、冷却速率、W含量和W粉粒度对孔隙都有影响。扩散性较差的气体如氢气,与粉末中的氧反应产生的水蒸气易陷在孔隙里,它在液相中的溶解度很低,难以通过液相扩散出去。冷却速度快(如淬火),产生凝固收缩和孔洞,尤其当液相量少、不足以填充所有孔隙时,合金的全致密化困难,产生残余孔隙。W粉粒度粗,也易产生孔洞粗化。

界面杂质偏析与第二相析出

在高密度合金的显微结构中,存在W-W界面和W-基体相界面。这些界面结合强度对杂质元素偏析和第二相的析出都很敏感。杂质元素包括H、O、P、S、Si、C,在烧结时,它们优先沿晶界扩散,产生界面偏析,降低合金延性。氢脆是烧结气氛所致,可以由烧结后真空处理和惰性气氛处理降低。氧的界面偏析对性能的影响不大,最重要的是P、S的偏析,固溶处理可以降低P的界面偏析使合金的强度提髙。但当原材料P的质量分数大于时,即使采用热处理,合金的韧性还是下降很大。这时添加质量分数为0.3%的Ia,可以在合金中生成稳定的IaPO4,消除W-黏结相界面P的偏析。

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