硬质合金的金相制备与硬度测试

2021-04-17 08:46:57, 标乐中国标乐中国

硬质合金是一种利用难熔金属的硬质化合物如碳化钨 (WC)或者其他MC 型碳化物和粘结金属通过粉末冶金工艺制备而成的合金材料，粘结金属主要以钴基、镍基、铁基等较为常用。

金相制备

硬质合金取样一般选用高功率的精密切割机搭配金刚石切割片（20LC）进行切割，因其本身硬质的特点，切割表面平整度非常好，通常不需要粗研磨步骤。

对于取下来的试样通常需要进行镶嵌后再进行研磨和抛光。镶嵌推荐选用添加了矿物或玻璃粉末的热镶嵌环氧树脂，如果在某些特殊条件下必须使用冷镶嵌，也需要在树脂内添加增强陶瓷粉末提高树脂硬度。

硬质合金的研磨，碳化硅砂纸是无能为力的，必须选用特定的金刚石磨盘，当磨削去除的材料量较大时，可以用P400（40μm）树脂粘结盘-DGD Mosaic或45μm金属粘结盘-DGD Ultra作为研磨的第一步，当切割表面光洁平整，无需去除材料情况下也可以选择ApexHercules H硬研磨盘搭配金刚石悬浮液粗抛作为第一步。

方法一

方法二

◀3μm金刚石抛光后

1μm金刚石抛光后▶

◀0.05µm氧化铝抛光后

▼振动抛光前

▲振动抛光后

最终如果使用MasterMet硅胶或MasterPrep氧化铝悬浮液再抛光后会获得清晰的组织结构，这也与基体与硬质相之间的硬度差有关，当表面有多层耐磨涂层时，最终氧化物抛光也能增加涂层与基体之间的对比度。表面涂层在需要进行EBSD制样时，振动抛光也将使基体硬质相变得突出明显。

硬度测试

洛氏硬度（A）标尺试验方法

试样的制备和要求

试样试验面的粗糙度Ra≤2μm。烧结状态的试样表面应磨去的厚度不少于0.2mm。

制样要采用尽量减少由于加工造成过热或急冷致使表面性质发生变化的方式进行。

在测定具有曲面的试样硬度时，其曲率半径不得小于15mm。为了测定曲率半径小于15mm试样硬度，要制备至少3mm宽的平面。

所制备的试样厚度至少有1.6mm。

金刚石压头作用的试样表面应平行于支承面，其平行度每10mm长度不超过0.1mm。

设备

【设备】

试验设备的测量精度不应低于0.2HRA。

【压头】

金刚石压头应符合GB/T 230.2-2012的相关规定，在已校正过的硬度计上检查金刚石压头的性能。由五片试块组成一套硬质合金标准试块。在每片硬质合金标准硬度块上至少打五个压痕，计算每片标准块的平均硬度及其与标定硬度的差值。算出五个差值的算术平均值及范围。如果其平均值不超过标定值的±0.3HRA，且极差的范围不超过0.6 HRA，则该压头可以使用。硬质合金标准硬度块，应具有下列全部的或任一的硬度值：85.5、88.5、91.0、92.0和93.0HRA。

试验步骤

选择与试样硬度值（估计）最接近的硬质合金标准硬度块，在标准块上测量三个HRA的硬度，这三个读数的平均值与标准块所标定的硬度值之差应在±0.5HRA以内。

如差值大于±0.5HRA，则要检查硬度计和金刚石压头，并且消除产生误差的原因。

如差值在± 0.5HR A以内，则对试样的硬度平均值加上或减去此差值。

维氏硬度试验方法

断裂韧性(KIC)被认为是一种材料的固有特性，指的是材料抗断裂能力的好坏。KIC的常规标准化测试方法包括在测试样品中产生一个小裂纹，然后将其施加一个可控载荷以扩展裂纹。与常规方法相比，压痕断裂法易于测试和较低的样品损耗使其成为评估脆性材料的断裂韧性普遍选择。

测定脆性材料的断裂韧性，关键是要根据裂纹形貌，以及材料特质来选择正确的方程组，计算断裂韧性。压痕断裂韧性测试是利用维氏硬度压痕产生的裂纹来估算材料的KIC。这些裂纹是使用维氏硬度压头对一小块测试材料施加高负荷而形成的。

如下图所示，理想的裂纹轮廓有一个裂纹从每个尖角处延伸：	一个较差的裂纹剖面的例子如下，如果裂纹太多或裂纹长度不均匀，则不能使用硬度法来估算KIc。

Figure 1: A 98N Vickers indent in Si3N4 with ideal cracks.	Figure 2: A 98N Vickers indent in Si3N4 with irregular cracking not suitable for KIc calculation.