超声振动辅助压制粗晶WC-10Co 硬质合金

黄丽容 ，王 云 ，谢俊杰 ，黄必华

1) 江西理工大学机电工程学院,赣州 341000 2) 崇义章源钨业股份有限公司,赣州 341300

WC-Co 硬质合金是由硬质相WC 和粘结相Co 组成，因其拥有较高的硬度和耐磨性，被誉为“工业牙齿”[1]，被广泛应用于多个领域，如采矿采掘、航空航天、汽车制造、石油钻井等[2-3]。在硬质合金生产过程中，压制成形是必不可少的工艺之一。但是，由于WC 和Co 粉末颗粒形状大小不一、性能参数差异较大，且WC 粉末颗粒流动性较差，使得合金中的粗细颗粒无法均匀分布。同时，在压制时WC 颗粒紧密连接，烧结过程中容易形成晶粒间的邻接，而WC 晶粒之间邻接界面的应力集中是弱化WC-Co 硬质合金力学性能的主要原因[4]。因此，为解决粉末常规压制过程中出现的粉末流动性差、颗粒大小分布不均匀、合金力学性能差等问题，国内外研究人员开展了大量的工作。Ignatieva 等[5]采用爆炸压制技术使粉末体在极短的时间内受到爆炸产生的高压冲击，获得高致密性的压坯，但爆炸压制不够安全，可控性差，生产效力低。Asnaashari 和Ghambari[6]使用快速全向压制技术将粉末制于罐形模具中，使粉末受到各个方向的压力，获得密度分布均匀性较好的压坯，但其产量小、成本高且模具费用较高。Cao 等[7]采用温压技术将添加有润滑剂的混合料加热至一定温度后，施加压力压制成较高密度的压坯，但加入润滑剂会使烧结致密性降低，并且润滑剂会在压坯内部残留，影响产品综合性能。

超声粉体成形技术[8]是在粉末压制过程中引入超声波，使得粉末颗粒之间以及颗粒与模壁之间发生碰撞，以达到颗粒重排、流动性增加、摩擦减小的效果。Bagherzadeh 等[9]以工业铝AA-1050 为研究对象，通过超声振动增强等通道角挤压方法（ultrasonic vibration enhanced equal channel angular pressing，UV-ECAP）消除了压制过程中折叠缺陷，并且使得压制力下降了31%。Du 等[10]对超声振动在聚丙烯/铝合金键合材料中的影响进行了研究，发现在键合处形成了许多具有粘接性能的微锁结构，强化了其拉伸剪切强度。Lin 等[11]对具有不同纵横比的纯钛进行有无超声振动的压缩和无润滑镦粗实验，研究发现施加超声振动可以降低无润滑镦粗应力，提高镦粗效果。Lv 等[12]在压制聚合物粘结炸药（polymer bonded explosive，PBX）时引入超声波，发现在超声作用下聚合物粘结炸药的晶粒分布更加均匀。

目前，国内对硬质合金进行超声振动压制的研究较少。本文设计了轴向超声振动辅助压制装置，以粗晶WC-10Co 为研究对象，在不增加压实压力的情况下，通过超声振动来增加粉末颗粒流动性与密度分布均匀性，减少摩擦，提高硬质合金力学性能。在此基础上，研究了超声振幅、压制时间、压制力以及高径比等因素对压坯密度、表面质量和合金力学性能的影响。

1 实验材料及方法

选用费氏（Fsss）粒度为9.6 μm 的WC 粉和平均粒径为1.2 μm 的Co 粉作为实验原料，两种材料均由崇义章源钨业股份有限公司提供。混料前添加纯W 粉将WC 中碳质量分数降低至6.08%，然后将两种粉末按一定比例配置，放入球磨罐中进行湿磨，球磨时间14.5 h，卸料后进行干燥，再使用100 目筛网过筛，制得粗晶WC-10Co 混合料粉末，其扫描电子显微形貌（scanning electron microscope，SEM）和粉末性能参数分别如图1 和表1 所示。

表1 原始粉末性能参数Table 1 Performance parameters of the raw powders

图1 实验用粗晶WC-10Co 混合料粉末扫描电子显微形貌：（a）WC 粉；（b）Co 粉；（c）WC-10Co 混合料Fig.1 SEM images of the coarse-grained WC-10Co mixture powders for experiment: (a) WC powders;(b) Co powders;(c) WC-10Co mixture

实验所用轴向超声振动辅助压制装置如图2 所示，装置由压力机、超声换能器、超声波发生器、模具组成。超声换能器由压电陶瓷换能器（将电能转换成机械能）、振幅杆和工具头构成，其振动频率为20 kHz，驱动功率为2 kW，超声波振幅可从0～100%进行无级调节。该装置安装在带有法兰的压力机上，其压力直接传导到换能器外壳上。称取一定质量的混合料倒入模具中，压头缓慢移动至与粉末接触，启动超声换能器并施加一定压力进行预压超声，然后继续缓慢加压至工作压力，保压15 s至压制完成。进行预压超声的目的是为了使粉末在预压的情况下更好的将超声传导至压坯内部，考虑到预压超声时间对压坯密度和性能的影响，分别设置了预压超声时间10、20、30 s 进行比较。为了计算压坯密度，测量压制后压坯的质量、高度和直径，其质量和尺寸记录的误差分别为±1.00 mg 和±0.01 mm。

图2 超声振动辅助压制装置Fig.2 Ultrasonic vibration assisted pressing device

采用WLP-208 费氏粒度仪测量原始粉末平均粒度，利用PL4-2 标准漏斗测量松装密度。使用BSA2235（精度1.00 mg）电子秤称量粉末质量，通过电子刻度尺（精度0.01 mm）测量压坯尺寸，利用XS204 密度天平测量合金密度。选用JSM-6701F 日本电子扫描电镜观察试样微观结构，通过KB30S-FA 维氏硬度计测量维氏硬度，利用JC07-20 微机控制电子万能试验机测量合金试样抗弯强度。

2 结果与讨论

2.1 压制力、高径比和预压超声时间对压坯的影响

为了研究常规压制与超声压制在不同压制力下压坯密度的变化，称取相同质量的混合粉末153 g，初始高度均为27 mm，以60%超声振幅预压超声20 s，其余实验条件与常规压制相同，使用精度为0.01 mm 的数字刻度尺来测量压坯的瞬时高度，然后根据粉末压坯的质量体积比计算压坯的瞬时密度，制作出压制力与密度之间的关系图，结果如图3 所示。由图可知，随着压制力的增加，压坯密度不断提高，且超声压制的致密化程度高于常规压制的致密化程度。压制力在20～80 MPa 之间，超声压制与常规压制的压坯密度曲线变化基本保持一致；压制力在80～100 MPa 之间时，虽然超声压制与常规压制曲线的斜率减小了，但是超声压制曲线斜率变化较小。结果表明，施加超声振动有利于提高压坯密度，并且压制力在80～100 MPa 之间，压力越大，效果越明显。

图3 压制力与密度之间的关系Fig.3 Relationship between the compression force and density

为了研究在超声振动下不同高径比对粗晶WC-10Co 压坯密度的影响，分别按照高径比0.1、0.3、0.5 称取相应的粉末装进模具中，以60%超声振幅预压超声30 s，其余实验条件和常规压制相同，得到压坯密度与不同高径比之间的关系，如图4 所示。从图中可以看出，随着压力的增大，压坯密度显著提高，而将超声振动应用于压制，压坯密度也大大提高。当高径比为0.1 时，以20、50、80 MPa压制力压制，超声压制与常规压制相比，压坯密度分别提高了2.07%、3.42%、3.84%；在高径比为0.3 时，不同压制力的条件下，压坯密度分别提高了0.54%、1.27%、2.38%；在高径比为0.5 时，不同压制力的条件下，压坯密度分别提高了0.27%、0.93%、2.37%。随着高径比的增大，超声波在压坯中传递的时间和损耗增加，所以超声振动效果也逐渐下降。说明在压制高径比小的产品时，使用超声振动辅助压制更有利于提高压坯密度与产品整体质量。

图4 压坯密度与高径比之间的关系Fig.4 Relationship between the density and aspect ratio

为了更好地将超声传导至压坯内部，在超声压制前对粉末进行了预压，预压超声时间分别设置了10、20、30 s，预压超声时间对压坯密度的影响如图5 所示，其中高径比为0.3 的压坯，压制力为80 MPa。由图可知，预压超声时间越长，压坯密度提升越明显。这是由于超声波与粉末颗粒接触时间延长，粉末颗粒间的流动与重排更充分，更有利于压坯内部孔隙的填充[13]。随着超声振幅越大，压坯密度也显著提高。

图5 预压超声时间与压坯密度之间关系Fig.5 Relationship between the ultrasonic time of preloading and billet density

压制时，压力通过上冲头传导至粉末，但是由于粉末颗粒之间、粉末颗粒与模壁之间存在摩擦力，导致压力传导不均匀，即压力至上而下衰减，导致压坯密度不均匀，影响产品质量。为了观察两种压制压坯与模壁接触面粗糙度的变化，使用体视显微镜观察接触面，如图6 所示。从图中明显看出，常规压制的压坯与模壁接触面有一些轻微的划痕，这是由于在常规压制过程中，压坯与模壁发生相对运动，压坯受到摩擦力作用产生划痕，摩擦力随着模壁给压坯侧压力的增大而增大[14]。施加超声振动后，粉末颗粒之间以及粉末颗粒与模壁之间会剧烈碰撞，使得粉末颗粒与模壁产生瞬时分离，减小了压坯与模壁之间的摩擦力[11]，提高了压坯表面质量。

图6 压坯与模壁接触情况：（a）常规压制表面；（b）超声压制表面Fig.6 Contact between the compact and die wall: (a) conventional pressed surface;(b) ultrasonic pressed surface

压制过程中，粉末受力变形过程非常复杂，蒋煜和李旭东[15]利用有限元软件对粉末压制过程进行仿真，发现粉末受力分为三个阶段：压制初期，粉末颗粒流动填充间隙；压制中期，粉末颗粒发生弹性变形和塑性变形；压制后期，颗粒在接触部位局部变形。在微观上表现为颗粒的弹性变形和局部塑性变形，在宏观上表现为少量的体积压缩和压制力的急剧增大。当压力撤销后，粉末颗粒会缓慢恢复原状，在脱模时以及脱模后，压坯会沿压制力方向回弹膨胀，压坯尺寸增加。陈楚轩[16]使用脱模后压坯尺寸增大分数（δ）表示表征脱模后的尺寸变化，如式（1）所示。

式中：HP为压制尺寸，ΔHP为增大尺寸。

图7 为常规压制和超声振动辅助压制后压坯的弹性后效情况。在80 MPa 压制力条件下，使用超声振动辅助压制，压坯的弹性后效降低了0.16%，尺寸不稳定性略有改善，这是由于压制过程中，超声振动降低了残余内应力所致[17]。

图7 脱模后压坯尺寸变化情况Fig.7 Change of the compact size after demoulding

2.2 超声振动对硬质合金组织结构和力学性能的影响

将原料粉末倒进模腔中，在80 MPa 压制力下使用常规压制和超声波振幅60%超声压制，得到相应压坯后送入烧结温度1450 ℃的氢气烧结炉中烧结，获得硬质合金试样。图8 为合金横截面断口金相组织，可以看出在超声压制下合金中孔隙数明显减少。

图8 合金横截面断口金相组织：（a）常规压制；（b）超声压制Fig.8 Metallographic images of the alloy fracture in cross section: (a) conventional pressing;(b) ultrasonic pressing

图9 为硬质合金扫描电子显微形貌和Image 软件[18]测量所得WC 晶粒分布图。由图9（c）可知，超声压制的合金中没有明显粗大的颗粒，表明超声压制使得较细颗粒分布均匀，不会聚集在一起，引起WC 颗粒异常长大。图9（b）和图9（d）的测量结果显示，虽然两种压制平均晶粒尺寸变化不大，但是由于超声振动带动粉末颗粒重排和发生较大位移，使得较细颗粒更好的均匀填充到孔隙中，在烧结过程中不会发生聚集异常长大，晶粒尺寸大小相对均匀。

图9 WC-10Co 硬质合金扫描电子显微形貌和WC 晶粒尺寸分布：（a）,（b）常规压制；（c）,（d）超声压制Fig.9 SEM images and WC grain size distribution of the WC-10Co cemented carbides: (a),(b) conventional pressing;(c),(d) ultrasonic vibration pressing

对在100 MPa 压制力下使用常规压制和超声波振幅60%超声压制制备的WC-10Co 硬质合金性能进行多批次合金统计分析，结果见表2。从表2 可知，超声压制合金的断裂韧性相对于常规压制提高了5.83%～16.10%，硬度和密度变化不大，但是超声压制合金的抗弯强度明显下降。这是由于在球磨过程中，WC 颗粒不可避免会产生一些破碎的小颗粒，而施加超声振动辅助压制有利于小颗粒的均匀分布，使得在烧结过程中形成尺寸均匀的颗粒，由图9（d）可以看出，合金中粗大颗粒减少或者消失，粒径为5 μm 左右的颗粒占比提高，而在相同Co 含量下，晶粒尺寸越大，裂纹偏转和分叉的作用越强[19]，所以合金韧性有所提升。陈楚轩[16]研究了WC 晶粒尺寸对抗弯强度的影响，结果表明，在Co 质量分数为10%时，不同WC 晶粒尺寸合金的抗弯强度大小排序为4 μm＞3 μm＞5 μm＞2 μm。由于粒径为5 μm 左右的颗粒含量有所提升，所以检测结果显示抗弯强度明显下降。

表2 常规压制与超声压制WC-10Co 硬质合金力学性能Table 2 Mechanical properties of the WC-10Co cemented carbides by conventional pressing and ultrasonic pressing

综上所述，在粗晶WC-10Co 硬质合金压制过程中施加一定的超声振动可显著提高粉末流动性、粉末颗粒分布均匀性和合金力学性能。超声振动压制可为硬质合金产品烧结后出现变形和尺寸不一的问题提供一种解决思路，同时在调节硬度与韧性这对矛盾体方面也有积极的影响。实验结果发现，在硬度和密度变化很小的情况下，断裂韧性有所提升，抗弯强度明显下降。

3 结论

（1）随着压制力的增加，压坯密度不断提高，且超声压制的致密化程度高于常规压制。与常规压制相比，超声振动压制在压制力80～100 MPa 之间时，压力越大，密度增益越明显。

（2）不同压坯高径比，在同一压制力和超声振幅下，压坯密度虽然呈现下降趋势，但施加超声振动可以明显提高压坯密度。增加预压超声时间，压坯密度也会随之提高。

（3）施加超声振动后，粉末颗粒之间以及颗粒与模壁之间会剧烈碰撞，使得颗粒与模壁产生瞬时分离，减小压坯与模壁之间的摩擦力，从而提高了压坯表面质量。

（4）超声压制降低了WC 颗粒中残余内应力，使得粉末在脱模后弹性后效降低了0.16%，烧结后合金孔隙数减少，晶粒大小分布均匀，粗大晶粒减少。在硬度和密度变化较小的情况下，断裂韧性提高了5.83%～16.10%，抗弯强度明显下降。