硬质合金钴相分布及平均自由程的测定

菅豫梅，田 雷，陈川兰

（自贡硬质合金有限责任公司，四川自贡 643011）

钴对碳化钨有良好的浸湿性，在硬质合金中起粘结作用。不同钴层厚度，直接影响硬质合金的抗弯强度、抗冲击韧性等性能［1～8］，因此，钴层厚度和钴相分布均匀性是硬质合金金相检测的一个重要指标。常用钴相平均自由程（λ）来表征钴层厚度。

目前，硬质合金钴相分布及平均自由程测试方法未见报道，有的硬质合金企业内部标准采用金相显微镜标尺测量视场中不同部位钴层厚度大小，出报＜1μm、1～2μm、1～3μm或2～4μm；大于4 μm的，实报个数；若目视观测钴相分布不均匀，则不同部位分别出报钴层厚度。钴相缺陷是根据不同观测视场中钴相平均厚度的5倍及5倍以上钴聚集体数量的多少，分别出报“轻微钴池、钴池和严重钴池”。由于出报方式是数据范围或定性描述，此检测数据对产品质量的控制敏感性不强。试验将样品金相制样面进行化学腐蚀，使钴相晶界清晰，能被定量金相图像分析软件提取，并在所选定的视场选择一定数目的线条进行平行等距切割，再运用截线法测量通过钴相的线段，计算出钴相分布和平均自由程数据。方法简便快速，适用于生产研发分析。

1 试验方法

将样品按硬质合金金相制样方法进行磨抛、抛光至镜面，再用棉签沾三氯化铁-盐酸饱和溶液擦拭样品金相制样面20～50 s，用水洗净擦干，在1 000倍显微镜下观测，钴相晶界腐蚀清晰，与WC相和Ti相已完全区分，样品测试面腐蚀完成。将浸蚀好的试样置于金相显微镜下，选择典型视场进行图像采集，再用金相图像软件，选择截线法测试条件对选择的图像进行处理和钴相截线法测试，得出钴相分布、平均自由程数据和钴相分布曲线。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀液选择试验

1.先用20%铁氰化钾-20%氢氧化钾混合液腐蚀WC相，用水冲洗干净后，再用棉签沾三氯化铁-盐酸饱和溶液对合金表面进行擦拭，腐蚀钴相，用水洗净擦干，在1000倍显微镜下观测，钴相晶界腐蚀清晰。

2.三相合金用20%铁氰化钾-20%氢氧化钾混合液腐蚀WC相后，用水洗干净擦干后，放入400℃马弗炉中氧化着色钛相30 min，在1 000倍显微镜下观测，高钛三相合金钴相与钛相区分不清晰。

3.对制成镜面的合金磨面用棉签沾三氯化铁-盐酸饱和溶液擦拭30～40 s，制样镜面更加光亮，用水洗净擦干，在1 000倍显微镜下观测，钴相晶界腐蚀清晰，与WC相和Ti相能很好区分。

用20%铁氰化钾-20%氢氧化钾混合液腐蚀WC相，钴相与钛相区分不清晰，因此，试验选择用三氯化铁-盐酸饱和溶液直接腐蚀钴相，效果较好。

2.2 样品测试面腐蚀时间试验

1.粗晶粒合金金相磨面腐蚀时间试验（1 000×观测）。按试验方法将合金金相磨面腐蚀不同时间，在放大1 000×显微镜下进行观测，观测效果见表1。

表1 粗晶粒合金腐蚀时间数据表

由表1可知：粗晶粒合金金相磨面腐蚀30～50 s，钴相腐蚀完全，晶界清晰。试验选30～50 s为粗晶粒合金钴相酸腐蚀时间。

2.中晶粒、细晶粒合金金相磨面腐蚀时间试验（1 000×观测）。按试验方法将合金金相磨面腐蚀不同时间，在放大1 000×显微镜下进行观测，观测效果见表2。

表2 中晶粒、细晶粒合金腐蚀时间数据表

由表2可知：中晶粒、细晶粒合金金相磨面腐蚀15～30 s，钴相腐蚀完全，晶界清晰。试验选20～30 s为中晶粒、细晶粒合金钴相酸腐蚀时间。

2.3 图像分析软件选择试验

2.3.1 钴相分割提取试验

将合金制样面用三氯化铁-饱和盐酸溶液腐蚀好，在钴相分布测试模块中分别用不同分割方式进行钴相提取，分割提取效果见表3。

表3 钴相分割试验表

由表3可知：试验选择双阈值分割，钴相晶界提取清晰。

2.3.2 钴相分布采图选择试验

三氯化铁-盐酸饱和溶液腐蚀钴相后，钴相的灰度值与WC相、钛相等不同，从而能较好地提取钴相进行定量分析。此软件主要通过调节金相图像采图时的曝光时间、增益和彩色饱和度的大小来调节不同相的灰度，“采集图像”及“活图像”栏选择1 280×960格式，显微镜放大倍数为1 000×，调至图像清晰，选择数据范围见表4。

表4 采图选择数据表

2.3.3 钴相分布测试软件双阈值选择试验

按试验方法操作，二值化采用“双阈值分割”方式进行钴相提取。调节双阈值条码，使钴相提取完全，如图1所示，设第一条阈值为0，调节第二条阈值大小，按“不迭加”按钮进行观测，提取钴相边界真实时，阈值为120±10。因此，试验双阈值选120±10。

图1 双阈值分割图（1 000×）

2.3.4 截线疏密程度对分析结果的影响

按试验方法操作，截线角度选0度，分别选择不同的截线条数进行测试，比较截线疏密对钴相平均自由程测试结果的影响，试验数据见表5。

表5 不同截线数试验数据表

由表5可知：截线数的多少并没有对结果产生较大影响，这与截线理论相一致，即截线法得到的结果是一个统计量，因此在统计范围内，截线条数的多少对于统计结果基本无影响。试验选10条截线为测试方法截线数。

2.3.5 截线方向对分析结果的影响

按试验方法操作，截线数选10条，分别选择不同的截线方向进行测试，比较不同截线方向对钴相平均自由程测试结果的影响，结果见表6。

表6 不同截线方向试验数据表

由表6可知：截线方向为0°、30°、90°时，对钴相平均自由程结果影响不大，但60°方向，结果偏高。因此，试验选0°为截线测试方向。

2.4 不同实验室比对及图谱法比对测试试验

抽不同晶粒合金样品，分别送不同实验室做钴相平均自由程的比对测试，由于钴相晶界提取较困难，两家单位的金相测试软件暂时不能测钴相分布，只能出报钴相平均厚度。比对结果见表7。

表7 比对数据表 μm

由表7可知：本实验室截线法测得钴相平均自由程与图谱法范围相符；与两家不同实验室测试结果最大偏差为0.23μm；与扫描电镜手工截线法最大偏差为0.19μm。

2.5 方法精密度试验

分别选粗、中、细三种晶粒合金，各任选五个视场进行钴相分布测试，试验结果见表8。

表8 精密度数据表

由表8知：不同视场测试精密度数据，平均钴层厚度小于0.5μm时，3倍标准偏差小于0.05μm；平均钴层厚度大于0.5μm时，3倍标准偏差小于0.10 μm，说明本试验不同视场测试精密度能满足生产分析需要。

2.6 硬质合金钴相分布测试——截线法

按试验方法操作，测试硬质合金的钴相分布，软件自动生成分析结果报告，分析结果见表9。

表9中，统计颗粒数242，平均自由程1.18μm，粒径离差系数0.8。由表9可知：定量金相截线法分析软件既测试了该视场钴相平均自由程，又可测试该视场中不同钴层厚度颗粒数及颗粒比例，能更直观地反映钴相是否存在堆积现象。

表9 显微图像粒度截线法统计分析钴相分布

3 结 论

1.采用三氯化铁-盐酸饱和溶液对硬质合金金相制样面进行腐蚀，仅需几十秒就可使钴相晶界清晰。

2.选择典型视场进行图像采集，再用定量金相图像分析软件截线法测量硬质合金钴相分布和平均自由程是可行的。

3.对比传统的数据范围或定性描述出报方式，定量金相检测数据更直观、更灵敏。

4.方法简便快速，适用于生产研发分析。