硬質合金是由高熔點的金屬化合物和金屬黏結劑經粉末冶金方法制成的，具有硬度高、耐磨性好、化學穩定性好、熱穩定性好等特點，并且還具有一定的韌性。硬質合金被廣泛應用于切削工具、采礦設備以及金屬密封等領域。通常要求硬質合金具有承載能力好、耐磨性好、抗沖擊能力強等特點。低鈷粗顆粒和高鈷細顆粒硬質合金具有高耐磨性與強韌性?？椎路降仍谠戏勰┝６葹?.8μm，鈷的質量分數為10%的碳化鎢(WC)細晶硬質合金中加入不同量的4μm~11μm粒度的WC粉末，考察細晶硬質合金中粗晶粒的含量和粗晶尺寸對細晶硬質合金性能的影響，發現細晶硬質合金中粗晶WC粒度小于10μm，粗晶體積分數小于0.29%，合金的綜合性能可達到未含粗晶WC合金的性能。郭圣達等對不同鈷含量的粗晶硬質合金生產過程的各個環節進行了研究，發現鈷含量越低，合金硬度越高；孔隙率越小，晶粒分布越均勻，合金強度和硬度越高。閆明遠等在細顆粒WC中逐漸增加粗顆粒WC含量，以找到粗細顆粒搭配量對合金性能的影響，發現對于鈷的質量分數為7%的WC硬質合金，當粗顆粒WC質量分數為50%時，合金的綜合力學性能最佳。在實際使用中，主要要求合金具有高的抗折斷能力和高的耐磨性。

      來自成都電焊機研究所的鄧四文制作了兩種硬度相同的低鈷粗顆粒硬質合金和高鈷細顆粒硬質合金，比較相同硬度下低鈷粗顆粒硬質合金和高鈷細顆粒硬質合金的性能，并評估其耐磨性和抗折斷能力，采用金相檢驗、力學性能試驗等方法對這兩種硬質合金的選用原則進行了分析。

1 材料的配制

      制作了含鈷的質量分數分別為8%和18%的WC硬質合金，分別命名為YG8T和YG18T，硬度為(1300±50) HV。

     YG8T中WC粉(WC-1)的費氏粒度為2.8μm，YG18T中WC粉(WC-2)的費氏粒度為1.6μm；兩者采用的鈷粉費氏粒度均為1.11μm。由于YG18T的粉料太細，需增加晶粒長大抑制劑碳化鉭(TaC)，其費氏粒度為1.45μm。

      采用小罐球磨筒進行配料，以鈷為黏結劑、石臘為成形劑，為了使YG8T和YG18T的硬度相同，需將碳元素的質量分數控制為6.11%和6.08%，所以YG18T的配料中需加質量分數為0.4%的鎢粉。每罐加0.27L酒精，0.025kg石蠟，0.17g油酸(0.2mL)，料球比為1∶1，裝填系數為0.5，球磨時間為48h，YG8T和YG18T的混合配料成分如表1所示。

表1 YG8T和YG18T的混合配料成分

     混合料經過濾、烘干、擦篩、制粒等工序形成可壓制料，在雙向壓機上按制好的模具壓制試樣，壓力為150MPa~200MPa，制備10個橫向斷裂強度試樣用于檢測橫向斷裂強度(抗彎強度)，10個沖擊韌性試樣用于檢測沖擊韌性，4個方形試塊用于金相檢驗以及硬度、密度、粒度等測試，6個磨損試樣用于檢測材料的耐磨性。將壓制好的料各配在兩爐中燒結，不同晶粒度的硬質合金不放在同一爐中。配爐采用低壓燒結，燒結溫度分別為1480℃和1410℃，加壓壓力為5 MPa。

2 試驗方法

      將燒結出來的試樣在平面磨床和120#金剛石砂輪上進行粗磨，再用消磁器進行消磁。將方形試塊用酒精進行清洗、吹干后，采用密度儀，按照GB/T 3850—2015 《致密燒結金屬材料與硬質合金密度測定方法》的規定測試試樣的密度；采用矯頑磁力計，按照GB/T 3848—2017 《硬質合金 矯頑(磁)力測定方法》測試試樣的矯頑力；采用鈷磁測量儀，按照GB/T 23369—2009 《硬質合金磁飽和(MS)測定的標準試驗方法》 測量試樣中鈷的含量。

      將方形試樣用線切割機切成尺寸(長×寬×高)為20mm×20mm×15mm 的小方塊，在真空鑲嵌機上采用環氧樹脂對試樣進行鑲嵌，用金相拋磨機進行粗磨、精磨、研磨和拋光；用消磁器進行消磁；將試樣浸泡在乙醇中，在超聲波清洗器中進行清洗。經吹干后，按照GB/T 3489—2015 《硬質合金 孔隙度和非化合碳的金相測定》的要求用光學顯微鏡進行孔隙度和非化合碳的測定。采用體積分數均為20%的鐵氰化鉀和氫氧化鉀水溶液的混合溶液作為腐蝕劑，對試樣拋光面按時間長度進行輕度、中度和重度腐蝕，并分別清洗吹干后，按照GB/T3488.1—2014 《硬質合金 顯微組織的金相測定 第1部分：金相照片和描述》的規定用光學顯微鏡進行η相、γ相、α相的測定；采用掃描電鏡(SEM)對試樣進行分析，按照GB/T 3488.2—2018 《硬質合金 顯微組織的金相測定 第2部分：WC晶粒尺寸的測量》的規定測量合金中WC組織的晶粒度。

      將方塊試樣的未腐蝕部位放置在洛氏硬度計上，按照GB/T 3849—1983 《硬質合金洛氏硬度(A 標尺)試驗方法》測量試樣的洛氏硬度，再在數顯維氏硬度計上，按照JB/T 12616—2016 《硬質合金刀具基體材料斷裂韌性檢測方法》的規定測試斷裂韌性。

   橫向斷裂強度試樣精磨后的尺寸為(20±1)mm×(6.5±0.25)mm×(5.25±0.25)mm，表面粗糙度Ra≤0.4μm，為B 型試樣，在跨度為(14.5±0.5)mm的硬質合金抗彎強度專用試驗機上，按照GB/T 3851—1983《硬質合金橫向斷裂強度測定方法》的規定測試試樣的橫向斷裂強度。

  沖擊試樣精磨后的尺寸為(50±1)mm×(5.0±0.3)mm×(5.0±0.3)mm，表面粗糙度Ra≤0.8μm，砧座跨距為30mm，在懸臂梁沖擊試驗機上，按照GB/T 1817—1995 《硬質合金常溫沖擊韌性試驗方法》測量試樣的沖擊韌性。

     按照ISO 28080：2021—2021 《硬質合金 硬質合金的磨損試驗》的要求進行試樣的磨損試驗。磨損試樣的尺寸為50mm×25mm×8mm，對試樣進行粗磨后，采用金相拋磨機進行精磨，試樣表面平面度不大于125μm，試樣表面粗糙度Ra≤0.8μm，將磨損試樣嵌入干砂橡膠輪式磨損試驗機的夾具中，施加于試樣的法向載荷為(130±4)N；磨料采用砂粒磨圓度好、無棱角，且SiO2的質量分數大于98%的鑄造用硅砂，粒徑為40~70目，落砂流速為(126±5)g/min，用超聲波清洗后稱取質量，并計算前后質量差，即為該試樣的磨損值。

3 試驗結果與分析

     YG8T和 YG18T兩種合金的力學性能如表2所示，由表2可知：為了保證低鈷YG8T與高鈷YG18T兩種合金具有相同的硬度，其WC顆粒的晶粒度必然有差異，分別為中顆粒和亞微細顆粒；YG8T的沖擊韌性達到了8.96J/cm2，這比常規的YG8合金高50%。兩種合金的微觀形貌分別如圖1，2所示。

     兩種合金的A 類孔隙級別為A02，無B類孔隙，合金的致密度高，這是由于采用了低壓燒結，YG8T合金的密度達到理論密度的99.75%，YG18T的密度達到理論密度的99.87%。這兩種合金的矯頑力也有差別，但相差不是很大，這與保證具有相同的硬度有關，并且由于YG8T合金的晶粒度大些，鈷元素含量低些，所以磁力相應小些。

表2 兩種合金的力學性能

      鎢鈷類硬質合金的橫向斷裂強度和沖擊韌性與合金的晶粒度及孔隙率正相關，WC的晶粒越細，WC晶粒與Co元素的接觸面越大，Co元素的平均自由程越小，合金的孔隙率降低，合金的橫向斷裂強度和沖擊韌性增大。這兩種材料性能差別最大的是橫向斷裂強度和沖擊韌性。由于在檢測材料的橫向斷裂強度和沖擊韌性時，都需要將試樣壓斷和打斷，因此中顆粒的YG8T合金中WC晶粒較粗，試樣斷裂表現為WC的穿晶斷裂。由于亞細顆粒的YG18T合金中WC 晶粒較細，試樣條的斷裂表現為沿晶斷裂，所以亞細顆粒的YG18T具有比中顆粒的YG8T更高的橫向斷裂強度和沖擊韌性，YG8T合金的穿晶斷裂和YG18T合金的沿晶斷裂微觀形貌如圖3，4所示。

     從橫向斷裂強度和沖擊韌性這兩項指標看，YG8T的橫向斷裂強度比YG18T的橫向斷裂強度低51%，而YG8T的沖擊韌性比YG18T的沖擊韌性低63%，YG8T合金比YG18T合金更容易斷裂。在使用礦用合金時，并不要求將合金進行強力沖斷，而是要考察合金的抗折斷能力，所以礦用合金的抗斷裂能力并不是根據這兩項指標進行判斷的，而主要是根據合金的斷裂韌性確定合金的抗斷裂能力。這兩種合金的斷裂韌性相差不到3%，其斷裂韌性檢測結果如表3所示，由表3可知：這兩種合金的抗斷裂能力是同一等級的。這是由于中顆粒YG8T的WC晶粒比YG18T的WC晶粒粗，當被尖銳金剛石壓頭壓裂后，出現裂紋的偏轉和分叉現象，從而使斷裂面表面積增大，斷裂韌性也增大。高硬度的YG18T 合金也具有較高的斷裂韌性，主要原因在于TaC的固溶強化作用，TaC顆粒在Co黏結相中擴散和溶解，對Co黏結相起到了強化作用，當尖銳金剛石壓頭使其產生初始裂紋后，裂紋將會發生偏轉而消耗更多的能量,從而提高了斷裂韌性。并且TaC本身具有較高的韌性，也能對合金起到增韌作用，所以雖然YG18T合金與高鈷類合金相比有更高的硬度，但其斷裂韌性卻并沒有降低。

表3 兩種合金的斷裂韌性檢測結果

     兩種合金的磨損試驗結果如表4所示，由表4可知，兩種合金的耐磨性相差1.6%，屬于同一等級，YG8T的耐磨性比YG18T稍高，這是因為YG8T的硬度比YG18T稍高，對于硬質合金，可以用硬度衡量其耐磨性，兩者具有一定的線性對應關系。從磨損機理上看，中顆粒的YG8T主要表現為WC顆粒的塑性變形導致材料的去除；而亞細顆粒的YG18T主要表現為鈷相的去除導致WC 的脫落?？傊?，相同硬度的低鈷粗顆粒合金與高鈷細顆粒合金具有幾乎相同的耐磨性，如果優先需要考慮耐磨性，就優先選用低鈷粗顆粒合金，且從合金燒結的性能穩定性看，低鈷粗顆粒合金比高鈷細顆粒合金性能穩定。如果優先需要考慮抗折斷能力，就優先選用高鈷細顆粒合金，高鈷細顆粒具有稍好的抗折斷能力。

表4 兩種合金的磨損試驗結果

4 結論

     (1) 相同硬度的低鈷粗顆粒與高鈷細顆粒的硬質合金相比，低鈷粗顆粒合金具有更好的合金燒結性能穩定性；為了保證晶粒不長大，高鈷細顆粒合金在燒結時需加入抑制劑。

     (2) 相同硬度的低鈷粗顆粒與高鈷細顆粒硬質合金相比，低鈷粗顆粒合金具有更低的鈷含量和鈷磁、更高的密度和更大的晶粒度;兩種合金具有相同孔隙率和幾乎相同的矯頑力，且非化合碳含量和η相含量均為0。

      (3) 相同硬度的低鈷粗顆粒與高鈷細顆粒硬質合金相比，低鈷粗顆粒合金具有更低的抗彎強度和沖擊韌性；兩者的斷裂韌性和耐磨性幾乎相同，但低鈷粗顆粒合金的耐磨性稍高，高鈷細顆粒合金的抗折斷能力稍高。

     (4) 如果需要優先考慮耐磨性，可優先選用低鈷粗顆粒硬質合金；如果需要優先考慮抗折斷能力，可優先選用高鈷細顆粒硬質合金，高鈷細顆粒硬質合金具有稍好的抗折斷能力。