降低WC-Co 硬质合金成本的一个途径

传统的WC-Co硬质合金力学性能优异，占整个硬质合金产品的一半以上，有非常突出的地位，但Co稀缺昂贵，如果能用其它金属部分或全部替代Co来充当硬质合金中的粘结相，则可降低WC-Co硬质合金成本，特别是利用率不到100%的硬质合金制品(如辊环)如果完全使用Co作为粘结相，则不仅成本高而且造成钴资源浪费。中南大学探索了用Fe与Ni部分或全部替代Co作为粘结相的有效性。他们比较了传统WC-20Co硬质合金，与用Fe完全替代Co的WC-20Fe，、用Fe与Ni全部替代Co的WC-15Fe-5Ni及用Fe与Ni部分替代Co的WC-13Fe-3Ni-4Co经相同制备工艺下得到的材料，得出了一些重要的结果。所用的制备工艺为：以粒度为1.37μm、总碳含量为6.13%(质量分数)的WC粉末为硬质相，以粒度小于5μm的羟基Fe粉、粒度小于4μm的羟基Ni粉和粒度小于2μm的Co粉为粘结金属；经混合球磨后在200MPa压力下压制成形，然而置于工业低压烧结炉中在1450℃下烧结。试验结果表明： 一，WC-20Fe烧结收缩率最小，致密度最差，不到97.5%。这是由于Fe对WC颗粒的润湿性差的结果。WC-15Fe-5Ni和WC-13Fe-3Ni-4Co的体积收缩率接近于WC-20Co，这三种合金致密度均在99%以上，说明用Fe、Ni全部或部分替代Co作粘结相，能很好地进行液相烧结，达到致密的程度。 二，WC-20Fe抗弯强度和硬度最低，分别只有1850MPa和886.6MPa，明显低于WC-20Co（抗弯强度和硬度分别为2720MPa和934.4MPa），一方面是由于烧结性能差，残留孔隙较多，同时因为W在Fe中的溶解度较小，因此W对粘结相的固溶强化效果较差，这说明Fe不适合单独作粘结相。Fe、Ni完全替代Co作粘结金属的WC-15Fe-5Ni合金，其硬度只比WC-20Co低43.2MPa，但抗弯强度超过WC-20Co，达到2790MPa；用Fe、Ni部分取代Co的WC-13Fe-3Ni-4Co，其抗弯强度和硬度都最高，分别为2880MPa和1066.3MPa，均超过WC-20Co。这是得益于Ni、Co固溶于Fe中，起到固溶强化的作用，同时改善了Fe对WC的润湿性。 三，断口观察表明，WC-20Fe断口处存在明显的孔隙，粘结相未能很好地包覆在WC颗粒表面上。WC-15Fe-5Ni，WC-13Fe-3Ni-4Co和WC-20Co中，粘结相都很好地包覆在WC颗粒表面并填充孔洞，断口可看到明显的粘结相塑性变形撕裂，这也说明Ni、Co的添加可显著改善粘结相的润湿性并提高粘结相的强度和韧性。 四，耐腐蚀性能测试表明，WC-20Fe合金的自腐蚀电流密度最大，其自腐蚀电流密度比WC-15Fe-5Ni和WC-13Fe-3Ni-4Co高2个数量级，比WC-20Co合金高3个数量级，极化电阻最小，这表明WC-20Fe合金的腐蚀速率最快，最容易氧化。WC-20Co自腐蚀电流密度最小，极化电阻最大，分别为3.27×10−5A/cm2和1073.4Ω•cm2。WC-15Fe-5Ni，WC-13Fe-3Ni-4Co合金自腐蚀电流密度接近于WC-20Co合金的自腐蚀电流密度，分别为4.26×10−4A/cm2和1.86×10−4A/cm2，这表明Ni、Co的添加可显著改善合金的耐腐蚀性能。 综上所述，中南大学的工作表明，用Fe与Ni部分替代Co来制备WC-Co硬质合金，达到降低成本的目的，具有可行性，但Fe不适合单独作粘结相。（钢研）