0. 引言

硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物和黏結(jié)金屬通過(guò)粉末混合、壓制和燒結(jié)而制成的一種粉末冶金材料。WC-Co硬質(zhì)合金是最常見的硬質(zhì)合金之一,其以WC為主要穩(wěn)定相,鈷為WC顆粒間黏結(jié)相,因具有較高的硬度、良好的韌性和耐磨性而廣泛用于模具、切削工具、礦山開采鉆頭以及其他特種工具[1-4]。

以稀土單質(zhì)或稀土氧化物形態(tài)向WC-Co硬質(zhì)合金中引入釔、鈰、鑭等稀土元素,能夠起到細(xì)化晶粒、凈化晶界以及抑制鈷黏結(jié)相相變的作用[5-7],從而提高合金的力學(xué)性能并延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。WC-Co硬質(zhì)合金的制備工藝比較復(fù)雜,其中,碳含量控制、燒結(jié)致密化、熱處理強(qiáng)化等重要工藝步驟會(huì)對(duì)合金的相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生巨大的影響：調(diào)控碳含量可以改變合金中的兩相成分和結(jié)構(gòu)以及合金的相對(duì)密度等；選擇合適的燒結(jié)工藝可以有效提高合金致密性,細(xì)化晶粒；燒結(jié)后進(jìn)行熱處理可以強(qiáng)化黏結(jié)相,提升合金強(qiáng)度。因此,對(duì)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要。

為了給相關(guān)領(lǐng)域研究人員提供參考,作者列舉了稀土強(qiáng)化WC-Co硬質(zhì)合金的研究成果,總結(jié)了稀土強(qiáng)化機(jī)理,綜述了合金制備工藝的優(yōu)化措施,并指出目前研究中存在的問(wèn)題及未來(lái)的研究方向。

1. 添加稀土元素

1.1 稀土元素添加形式

目前,常見的用于硬質(zhì)合金改性的稀土元素有釔、鈰、鑭等,一般在制備鎢粉或WC粉末時(shí),或在鎢粉或WC粉與鈷粉混合后進(jìn)行球磨時(shí)以單質(zhì)或氧化物的形式引入。下面以稀土元素的添加形式為分類依據(jù),列舉部分稀土強(qiáng)化WC-Co硬質(zhì)合金的研究成果。

1.1.1 稀土單質(zhì)

在惰性氣體環(huán)境或真空容器中,通過(guò)在原料粉末球磨階段向硬質(zhì)合金中添加稀土單質(zhì)可以顯著提升合金的致密性、硬度和耐磨性[8]。HE等[9]研究發(fā)現(xiàn),添加釔后WC-6Co硬質(zhì)合金的WC晶粒尺寸相比未添加釔時(shí)顯著減小,當(dāng)釔的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),WC平均晶粒尺寸僅為0.75μm,合金的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高。何文[10]研究發(fā)現(xiàn),添加鈰后WC-Co硬質(zhì)合金中鈰相與周圍的WC顆粒和鈷黏結(jié)相緊密結(jié)合,組織細(xì)化,鈷黏結(jié)相的均勻性提高,WC晶界以及與鈷相的界面強(qiáng)度提升,合金的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度相比未添加鈰時(shí)分別提高了0.3%,4.8%和4.5%。OU等[11]研究發(fā)現(xiàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%鑭單質(zhì)的加入抑制了超細(xì)晶WC-Co合金燒結(jié)表層上鈷黏結(jié)劑的富集和Co3W3C相的形成,防止鈷無(wú)法用作黏結(jié),燒結(jié)表層上的WC晶粒尺寸也有所減小,因此WC-Co硬質(zhì)合金的硬度和抗壓強(qiáng)度提高。ZHANG等[12]研究發(fā)現(xiàn),添加的鑭在WC-11Co硬質(zhì)合金燒結(jié)表面原位形成彌散分布的La2O2S相和少量LaCoO3相,使硬質(zhì)合金具有自潤(rùn)滑功能和高耐磨性；WC相中的殘余應(yīng)力降低但保持在壓應(yīng)力狀態(tài),從而抑制裂紋擴(kuò)展,提高了合金的抗疲勞性。

相比添加鈰,在相同制備條件下添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.12%的釔后硬質(zhì)合金的晶粒更細(xì),抗彎強(qiáng)度更高[10]。楊樹忠等[13]研究發(fā)現(xiàn),相較于添加釔,添加微量的鑭對(duì)WC晶粒長(zhǎng)大的抑制作用更明顯,制備的WC-Co硬質(zhì)合金的矯頑磁力和硬度更高,但添加釔的合金抗彎強(qiáng)度更大。目前,稀土單質(zhì)釔的原材料價(jià)格遠(yuǎn)高于價(jià)格較接近的鈰和鑭[14],選擇鈰和鑭作為添加劑具有更高的性價(jià)比,但選擇釔作為添加劑能夠制備更高強(qiáng)度的硬質(zhì)合金。

1.1.2 稀土氧化物

稀土氧化物相比稀土單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定,以氧化物的形式向硬質(zhì)合金中引入稀土元素,可以避免出現(xiàn)單質(zhì)氧化、產(chǎn)生雜質(zhì)等問(wèn)題[15]。稀土氧化物有Y2O3、CeO2、La2O3等,一般采用將稀土氧化物與鎢粉混合后碳化,制得含有抑制劑的碳化物粉末的方法添加稀土氧化物,此方法抑制晶粒長(zhǎng)大的效果較好,更適合工業(yè)化生產(chǎn)。

Y2O3是一種有效相變?cè)鲰g相,添加到硬質(zhì)合金中能有效凈化晶界,提高WC/鈷界面強(qiáng)度,顯著提升合金的硬度和斷裂韌性。ZHANG等[16]向WC-20Co硬質(zhì)合金中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Y2O3,在固相燒結(jié)階段,Y2O3能較好地抑制WC晶粒的生長(zhǎng),在液相燒結(jié)階段,雖然能抑制晶粒的連續(xù)長(zhǎng)大,但在控制晶粒優(yōu)先生長(zhǎng)方面效果不佳；添加Y2O3后合金的硬度和斷裂韌性都有顯著提高。YANG等[17]研究發(fā)現(xiàn),將濕化學(xué)法制備的Y2O3/ZrO2復(fù)合粉末添加到WC-8Co硬質(zhì)合金后,WC晶粒細(xì)化,Y2O3以第二相納米晶的形式固溶在WC晶體中,當(dāng)Y2O3/ZrO2添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),硬質(zhì)合金的硬度和橫向斷裂強(qiáng)度最大。YANG等[18]向WC-8Co硬質(zhì)合金中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Y2O3,發(fā)現(xiàn)燒結(jié)后合金中的Y2O3呈彌散分布,WC晶粒尺寸較小,Y2O3與WC之間形成了穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)；Y2O3通過(guò)與雜質(zhì)元素反應(yīng)凈化了WC晶界,提高了WC和鈷之間的界面強(qiáng)度,從而提高了合金的硬度和斷裂韌性。

CeO2顆粒細(xì)小,適量添加能夠有效抑制WC晶粒生長(zhǎng),阻礙鈷相馬氏體相變,降低孔隙率,提高WC-Co硬質(zhì)合金綜合性能。SUN等[19]研究發(fā)現(xiàn)：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%的CeO2能夠有效降低WC-11Co硬質(zhì)合金的孔隙率,抑制WC晶粒長(zhǎng)大,阻礙鈷黏結(jié)相的馬氏體相變,從而有效提高硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度；隨著CeO2添加量增加,合金的斷裂韌性先增后降。DENG等[20]向超細(xì)晶WC-10Co硬質(zhì)合金中添加CeO2,發(fā)現(xiàn)：當(dāng)CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),合金中CeO2均勻分散在WC晶粒周圍,能夠有效阻礙WC的晶界遷移,從而抑制WC晶粒的長(zhǎng)大,合金的硬度和斷裂韌性最高；添加過(guò)量的CeO2會(huì)導(dǎo)致鈷池化,降低燒結(jié)試樣的致密性,減弱對(duì)晶粒生長(zhǎng)的抑制作用。除了添加量,CeO2對(duì)硬質(zhì)合金組織和性能的影響還與其晶粒尺寸有關(guān)。CAI等[21]研究發(fā)現(xiàn),納米級(jí)CeO2的精煉效果優(yōu)于微米級(jí)CeO2,與WC晶粒的結(jié)合更緊密,燒結(jié)制備的WC-10Co硬質(zhì)合金的孔隙更少,耐磨性更好。

La2O3純度高、易分散,添加到硬質(zhì)合金中能夠起到凈化晶界、細(xì)化晶粒的作用,制備的超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金具有更優(yōu)秀的耐熱性、更高的硬度和更優(yōu)異的斷裂韌性。此外,La2O3可以在燒結(jié)過(guò)程中由合金內(nèi)部向表面遷移,通過(guò)調(diào)控La2O3在合金中的定向遷移,可以實(shí)現(xiàn)功能導(dǎo)向型高性能WC-Co超細(xì)硬質(zhì)合金的開發(fā)。吳厚平[22]制備了Cr/V-La2O3聯(lián)合摻雜的WC-Co硬質(zhì)合金,發(fā)現(xiàn)：當(dāng)合金為WC+β+η三相組織時(shí),燒結(jié)過(guò)程中合金中的鑭可以發(fā)生定向遷移,在燒結(jié)體表面產(chǎn)生富集,形成稀土彌散相；當(dāng)合金為WC+β二相組織時(shí),鑭處于穩(wěn)定狀態(tài),不再發(fā)生定向遷移。ZHANG等[23]研究發(fā)現(xiàn),添加La2O3的WC-11Co硬質(zhì)合金在燒結(jié)表面原位生成了彌散分布的La2O2S和LaCoO3相,這兩相都具有與層狀結(jié)構(gòu)相關(guān)的自潤(rùn)滑功能和高熔點(diǎn)特征,因此使硬質(zhì)合金具有自潤(rùn)滑功能并提高了其耐熱性。LI等[24]研究發(fā)現(xiàn)：適量添加La2O3可以細(xì)化WC晶粒,提高WC-10Co硬質(zhì)合金的硬度和抗彎強(qiáng)度；但過(guò)量添加La2O3會(huì)導(dǎo)致氧化物顆粒粗大,并在WC/鈷界面處偏聚,破壞合金的連續(xù)性,反而降低了合金的強(qiáng)度和硬度。

DENG等[25]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.5%時(shí),添加CeO2的合金晶粒最細(xì)小,斷裂韌性最大,添加La2O3的合金硬度最高。陳慧等[26]研究發(fā)現(xiàn)：與添加La2O3或CeO2相比,添加Y2O3改善WC/鈷界面潤(rùn)濕性的效果更顯著,對(duì)合金的晶界和相界強(qiáng)度的提高效果也更顯著；添加CeO2的合金晶粒最細(xì)小,相對(duì)密度最高,綜合性能最優(yōu)異。目前,我國(guó)Y2O3的價(jià)格遠(yuǎn)高于CeO2和La2O3,只適用于超精密加工工具；而CeO2和La2O3適用于大批量工業(yè)生產(chǎn)。此外,純稀土的價(jià)格普遍高于稀土氧化物,在滿足合金基本性能要求的情況下,選擇稀土氧化物作為添加劑更經(jīng)濟(jì)。

1.2 稀土強(qiáng)化機(jī)理

在WC-Co硬質(zhì)合金中引入稀土元素可以細(xì)化晶粒,改善黏結(jié)相結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化晶界,從而提高合金整體性能。

1.2.1 細(xì)化晶粒

向WC-Co硬質(zhì)合金中引入稀土元素,可以阻礙WC晶界遷移,從而抑制WC晶粒生長(zhǎng),而且能均勻WC晶粒尺寸,減少孔隙和異常長(zhǎng)大的WC晶粒數(shù)量[20]。JING等[27]向WC-Co硬質(zhì)合金中引入了錸,發(fā)現(xiàn)錸在合金中優(yōu)先溶解,占據(jù)了鈷黏結(jié)相中的間隙,阻礙了WC的溶解-析出過(guò)程,抑制了WC晶粒長(zhǎng)大,從而提高了WC-Co硬質(zhì)合金的硬度和橫向斷裂強(qiáng)度。HE等[28]研究發(fā)現(xiàn),未摻雜釔的WC-6Co硬質(zhì)合金中存在WC晶粒生長(zhǎng)不均且尺寸較大的現(xiàn)象,摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的釔后WC晶粒尺寸減小且分布均勻,這是因?yàn)獒惖膿诫s會(huì)影響WC晶粒的奧斯特瓦爾德熟化過(guò)程,阻止晶粒在液相燒結(jié)過(guò)程中長(zhǎng)大。楊海林等[29]研究發(fā)現(xiàn),摻雜的Y2O3易在WC-Co硬質(zhì)合金晶界處偏聚并形成彌散質(zhì)點(diǎn),釘扎在WC晶粒和相邊界,有效阻止WC顆粒的擴(kuò)散、溶解和生長(zhǎng),從而起到細(xì)化晶粒的作用。此外,稀土元素易與合金中的硫、氮、氧等雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)形成脆性較高的復(fù)雜化合物,這些高脆性化合物固溶（或二次固溶）于WC中,會(huì)增加WC脆性,導(dǎo)致WC顆粒破裂,晶粒尺寸減小[30]。

1.2.2 改善黏結(jié)相結(jié)構(gòu)

WC硬質(zhì)合金常用鈷作為黏結(jié)相,鈷黏結(jié)相在高溫下一般為面心立方（FCC）結(jié)構(gòu),冷卻后通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起層錯(cuò)成核和擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕剑℉CP）結(jié)構(gòu)[31]。HCP結(jié)構(gòu)鈷相在鎢和WC相中的溶解度低,會(huì)以Co（W,C）化合物的形式析出。相比HCP結(jié)構(gòu),FCC結(jié)構(gòu)鈷相的位錯(cuò)遷移率更高,位錯(cuò)在外力作用下更易滑動(dòng),因此含更多FCC結(jié)構(gòu)鈷相的WC-Co硬質(zhì)合金的韌性和橫向斷裂強(qiáng)度更高。向WC-Co硬質(zhì)合金中添加稀土元素,可以增大鈷的晶格常數(shù),改變點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),降低鈷相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度,使得更多的FCC結(jié)構(gòu)得以在室溫下保留[32]。OU等[11]研究發(fā)現(xiàn),摻雜鑭元素后,WC-Co硬質(zhì)合金中FCC結(jié)構(gòu)鈷相含量增加,合金的抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度提升,摩擦因數(shù)降低,使用壽命延長(zhǎng)。稀土元素的添加除了能抑制鈷相由FCC結(jié)構(gòu)向HCP結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,還能提高鎢、鈦等溶質(zhì)原子在鈷相中的固溶度,從而增強(qiáng)固溶強(qiáng)化作用。尹飛等[32]向YG8硬質(zhì)合金、20WC-Co-14（Ti、W）C硬質(zhì)合金、50WC-Co硬質(zhì)合金中添加了Y2O3,結(jié)果表明鈷黏結(jié)相中的鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)比未添加Y2O3時(shí)增加了15%,15%~30%,45%,從而強(qiáng)化了鈷黏結(jié)相。

1.2.3 強(qiáng)化晶界

稀土元素與WC-Co硬質(zhì)合金中的氧、磷、硫等雜質(zhì)元素存在較強(qiáng)的親和關(guān)系,可以通過(guò)反應(yīng)減少晶界處雜質(zhì),凈化晶界并提高其強(qiáng)度[33]。ZHANG等[34]研究發(fā)現(xiàn),添加的稀土元素在WC晶界聚集,并與雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng),凈化了WC/鈷界面并改善了其潤(rùn)濕性,從而提高了晶界和相界的強(qiáng)度。LI等[35]研究發(fā)現(xiàn),向WC-Co硬質(zhì)合金中添加La2O3顆粒后,細(xì)小的La2O3顆粒分布于WC晶粒內(nèi)部,具有阻擋和儲(chǔ)存位錯(cuò)的作用,而粗大的La2O3顆粒分布于晶界上,通過(guò)吸附晶界上的雜質(zhì)元素,在晶界周圍形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu),從而凈化晶界。綜上所述,稀土元素可以在WC-Co硬質(zhì)合金中起到去除雜質(zhì)、凈化晶界和增強(qiáng)界面強(qiáng)度的作用。

2. 優(yōu)化制備工藝

采用合適的制備工藝是強(qiáng)化WC-Co硬質(zhì)合金的必要手段。通過(guò)精確控制碳含量、采用合適的燒結(jié)技術(shù)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?可以有效地細(xì)化晶粒,提高合金性能。

2.1 碳含量控制

碳含量是影響硬質(zhì)合金性能的關(guān)鍵因素。在WC-Co硬質(zhì)合金中,當(dāng)碳含量高于兩相區(qū)理論值時(shí),合金內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)游離態(tài)的石墨,這會(huì)破壞鈷黏結(jié)相的連續(xù)性,降低材料的強(qiáng)韌性和耐磨性；當(dāng)碳含量低于兩相區(qū)理論值時(shí),易出現(xiàn)性脆且不穩(wěn)定的脫碳組織η相,如Co3W3C和Co6W6C,導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降,使用時(shí)易斷裂[9]。造成WC-Co硬質(zhì)合金碳含量波動(dòng)的因素[36-37]很多,包括粉末制備、成形劑的選擇和添加量、脫蠟時(shí)間和溫度、氣氛的選擇和純度等。GU等[38]通過(guò)向原料粉末中添加炭黑調(diào)節(jié)碳活性,研究了碳含量在兩相區(qū)理論值范圍內(nèi)對(duì)WC-20Co硬質(zhì)合金組織和性能的影響,結(jié)果表明,隨著碳含量增加,WC晶粒尺寸增大,鎢在鈷黏結(jié)相中的溶解度不變,合金的密度和硬度降低,抗彎強(qiáng)度先增大后減小。杜偉等[39]通過(guò)添加碳粉或鎢粉來(lái)控制WC-Co硬質(zhì)合金的碳含量,發(fā)現(xiàn)合金的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度隨碳含量增加先升高后下降,耐磨性能一直下降,當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.13%時(shí),合金的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度最大,耐磨性適中。李云龍[40]在燒結(jié)前對(duì)超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金坯體進(jìn)行了氧化預(yù)處理以確保碳含量均勻,燒結(jié)得到的硬質(zhì)合金中WC晶粒均勻,未見異常長(zhǎng)大現(xiàn)象,合金的強(qiáng)度和斷裂韌性提高；氧化預(yù)處理對(duì)合金致密性無(wú)不利影響。綜上所述,碳含量會(huì)影響硬質(zhì)合金的物相組成、晶粒尺寸和力學(xué)性能等,合理的碳含量有利于提高合金的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。

2.2 燒結(jié)工藝

燒結(jié)工藝需要在保證WC-Co硬質(zhì)合金接近完全致密化的同時(shí),有效抑制晶粒長(zhǎng)大。常用的燒結(jié)工藝包括放電等離子燒結(jié)、選擇性激光燒結(jié)、微波燒結(jié)、真空燒結(jié)等。

放電等離子燒結(jié)技術(shù)[41-42]具有變溫速率快的特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)快速加熱,在較短的時(shí)間內(nèi)完成燒結(jié)。WANG等[43]采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了超細(xì)晶WC-12Co硬質(zhì)合金,發(fā)現(xiàn)：隨燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)合金的相對(duì)密度增加；由于燒結(jié)時(shí)間短,WC晶粒未發(fā)生明顯長(zhǎng)大,合金的硬度、斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度較高。但是,放電等離子燒結(jié)技術(shù)變溫速率快,部分WC晶粒有可能異常長(zhǎng)大,因此應(yīng)用該技術(shù)時(shí)一般通過(guò)添加晶粒生長(zhǎng)抑制劑來(lái)控制WC晶粒生長(zhǎng)。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)[44]是一種利用高功率密度的激光束有選擇性地逐層燒結(jié)粉末而實(shí)現(xiàn)成形的制備工藝,具有成形效率高、節(jié)約成本的特點(diǎn)。AGYAPONG等[45]研究發(fā)現(xiàn),采用選擇性激光燒結(jié)制備的WC-Co硬質(zhì)合金表現(xiàn)出良好的表面質(zhì)量和清晰的幾何形狀。但是,選擇性激光燒結(jié)過(guò)程能量消耗大,設(shè)備成本較高,且目前無(wú)法有效消除合金孔隙,需要結(jié)合熱處理作為后處理程序來(lái)進(jìn)一步提升合金致密性、改善合金性能[45-46]。

微波燒結(jié)工藝[19-20]利用材料的介電損耗直接吸收微波能量,通過(guò)微波場(chǎng)提高離子電導(dǎo)率,可以整體加熱材料以實(shí)現(xiàn)致密化,燒結(jié)時(shí)間更短,可以有效抑制晶粒長(zhǎng)大。QIAN等[47]采用微波燒結(jié)工藝制備了超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金,結(jié)果表明：微波燒結(jié)降低了激活能,加速了擴(kuò)散,使液相在較低的溫度下出現(xiàn),促進(jìn)了顆粒的重排和致密化,從而提高了合金的相對(duì)密度、硬度和斷裂韌性。但該工藝容易導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中試樣表層出現(xiàn)脫碳相,在混料階段加入炭黑可以有效防止這個(gè)問(wèn)題。

真空燒結(jié)工藝的基本原理為真空條件下合金內(nèi)的氧氣、水和一些雜質(zhì)易沿晶界或通過(guò)晶粒擴(kuò)散并逸出,使鈷相的濕潤(rùn)性增加,能夠提高合金的力學(xué)性能[48]。洪樂(lè)康[49]采用真空燒結(jié)制備了超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金,發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)溫度升高,硬度先增后減,斷裂韌性逐漸增大,在1380℃燒結(jié)的組織均勻,WC晶粒細(xì)?。?14nm）,合金的硬度最大,斷裂韌性適中。但是,真空燒結(jié)制備的硬質(zhì)合金內(nèi)部常出現(xiàn)微孔；通過(guò)適當(dāng)提高真空燒結(jié)溫度、延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間的方法可以減少孔洞,提高合金的相對(duì)密度[50]。

2.3 熱處理工藝

對(duì)燒結(jié)后的WC-Co硬質(zhì)合金進(jìn)行適當(dāng)熱處理,可以有效強(qiáng)化鈷相,提高硬質(zhì)合金的硬度和強(qiáng)度。常用的熱處理工藝有油淬、深冷處理、退火等。GU等[51]研究發(fā)現(xiàn)：采用1250℃油浴加熱淬火+油浴冷卻至室溫的傳統(tǒng)熱處理得到的WC晶粒為球體,WC-11Co硬質(zhì)合金中的FCC結(jié)構(gòu)鈷相含量相比熱處理前增加,橫向斷裂強(qiáng)度提升；深冷處理（從室溫以2℃·min−1的速率緩慢冷卻至−196℃,保溫3h后以相同的速率恢復(fù)至室溫）后,WC-10Co硬質(zhì)合金中的WC晶粒呈三棱柱狀,FCC結(jié)構(gòu)鈷相含量減少,橫向斷裂強(qiáng)度提升,但提升效果弱于傳統(tǒng)熱處理。秦永強(qiáng)等[52]研究發(fā)現(xiàn)：隨著退火溫度升高（由300℃升高至800 ℃）,Y2O3摻雜WC-Co硬質(zhì)合金的顯微硬度降低,這與退火過(guò)程中WC晶粒粗化有關(guān)；當(dāng)退火溫度為500℃時(shí),鈷相失去流動(dòng)性,使得鎢和碳原子保留在鈷相中的位錯(cuò)上,并且很難擴(kuò)散沉積到WC顆粒中,這種不均勻分布對(duì)鈷相起到彌散強(qiáng)化作用,從而提升了硬質(zhì)合金的斷裂韌性,表現(xiàn)出最佳的綜合性能。XIANG等[53]研究發(fā)現(xiàn)：與燒結(jié)態(tài)合金相比,300~800 ℃真空退火處理后超細(xì)晶WC-10Co硬質(zhì)合金中的WC晶粒邊緣變得圓潤(rùn),無(wú)明顯的粗晶粒,且鎢在鈷相中的固溶量增加,馬氏體相變受到抑制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈷相的固溶強(qiáng)化；退火后硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和斷裂韌性均更高,其中在500℃下退火后合金的綜合性能最好。

3. 結(jié)束語(yǔ)

添加稀土元素和優(yōu)化制備工藝可以獲得具有更高硬度和強(qiáng)韌性的WC-Co硬質(zhì)合金：通過(guò)向WC-Co硬質(zhì)合金中添加釔、鈰、鑭等稀土單質(zhì)或Y2O3、CeO2、La2O3等稀土氧化物,能夠起到細(xì)化晶粒、改善黏結(jié)相、強(qiáng)化晶界的作用；通過(guò)優(yōu)化碳含量控制、燒結(jié)、熱處理等制備工藝,能夠起到細(xì)化晶粒、調(diào)整物相組成、強(qiáng)化黏結(jié)相的作用。

目前,關(guān)于WC-Co硬質(zhì)合金強(qiáng)化的研究仍存在以下問(wèn)題：由于WC-Co硬質(zhì)合金制備工藝流程復(fù)雜多變,變量控制不當(dāng)易導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差；稀土種類眾多,每種稀土的添加方式、添加形態(tài)和添加量不盡相同,導(dǎo)致制備的WC-Co硬質(zhì)合金性能也不盡相同,目前關(guān)于這一領(lǐng)域的研究還不夠系統(tǒng),并且稀土強(qiáng)化機(jī)理的應(yīng)用范圍也不同,甚至?xí)霈F(xiàn)自相矛盾。針對(duì)以上問(wèn)題,今后的研究工作可以在以下幾個(gè)方面開展：系統(tǒng)研究并確定制備WC-Co硬質(zhì)合金工藝的流程,包括合金中碳含量的控制方法,如何根據(jù)制備合金性能選擇燒結(jié)工藝和采用什么參數(shù)進(jìn)行熱處理等；結(jié)合試驗(yàn),系統(tǒng)研究和討論添加不同形態(tài)、含量、種類的稀土對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金組織和性能的影響。

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