呂宇升,李 蒙,吳 翔

(1.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011;2.自貢硬質(zhì)合金進(jìn)出口貿(mào)易責(zé)任有限公司,四川自貢643011)

YG20硬質(zhì)合金表面鼓泡原因分析

呂宇升1,2,李 蒙1,2,吳 翔1

(1.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011;2.自貢硬質(zhì)合金進(jìn)出口貿(mào)易責(zé)任有限公司,四川自貢643011)

利用SEM研究了石蠟工藝生產(chǎn)的YG20硬質(zhì)合金表面鼓泡的宏觀形貌,并檢測了鼓泡內(nèi)部、邊緣以及正常區(qū)域的元素含量,通過元素種類和含量的對比分析得出,造成該批產(chǎn)品鼓泡的原因?yàn)橥饨绶蹓m的引入。根據(jù)一般的硬質(zhì)合金鼓泡和孔洞形成的原理,討論了YG20硬質(zhì)合金表面鼓泡的原因,并提出了規(guī)范操作者的行為,改善生產(chǎn)工藝更好地控制C/O平衡,并采用變壓燒結(jié)的方法來減少鼓泡和孔洞,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

SEM;YG20;硬質(zhì)合金;鼓泡

1 引言

硬質(zhì)合金是由難熔金屬(如W、TI、V、Ta、Mo、Nb、Zr)的硬質(zhì)化合物粉末(硬質(zhì)相)同鐵族元素(Fe、Co、Ni)以及其他微量元素粉末(粘結(jié)相)采用粉末冶金的原理燒結(jié)而成的,具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、高耐磨性和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)的硬質(zhì)材料[1-3]。硬質(zhì)合金廣泛用于機(jī)械制造、金屬加工、石油鉆探、礦山采掘、冷鐓模具以及盾構(gòu)刀具等領(lǐng)域,具有“工業(yè)的牙齒”的美譽(yù)。硬質(zhì)合金制的工具的服役狀況復(fù)雜,造成其失效的原因是多樣的,如循環(huán)加載、冷熱交替的溫度變化以及腐蝕環(huán)境等等,都是造成硬質(zhì)合金工件失效的原因。硬質(zhì)合金制的工具和零件與其他材質(zhì)的失效相同也是由于裂紋的萌生、擴(kuò)展最后引起的斷裂。該機(jī)理是硬質(zhì)合金研究領(lǐng)域的一個重要方向。

YG20硬質(zhì)合金廣泛用于模具鋼中,具體屬于碳化鎢類的硬質(zhì)合金,不經(jīng)熱處理,內(nèi)、外硬度均勻一致。用于批量大的生產(chǎn),適于制作沖壓模具,如沖壓手表零件、樂器彈簧片等;沖制電池殼、牙膏皮的模具等,其硬度高,熱硬性好,耐磨性好。但硬質(zhì)合金脆性大,不能進(jìn)行切削加工,難以制成形狀復(fù)雜的整體刀具,因而常制成不同形狀的刀片,采用焊接、粘接、機(jī)械夾持等方法安裝在刀體或模具體上使用。

表面鼓泡、內(nèi)部孔洞、滲碳、脫碳以及內(nèi)部團(tuán)聚等等都是硬質(zhì)合金制備過程中常見的問題。當(dāng)硬質(zhì)合金存在以上問題的時候,其質(zhì)量是不可靠的,硬質(zhì)合金的使用性和安全性會大打折扣,是我們在生產(chǎn)中需要避免的。通過實(shí)驗(yàn)描述了YG20硬質(zhì)合金表面鼓泡的現(xiàn)象,利用SEM等檢測手段研究了鼓泡現(xiàn)象產(chǎn)生時合金的化學(xué)成分的變化,分析了產(chǎn)生鼓泡現(xiàn)象的原因,最后總結(jié)并提出了有效避免這種現(xiàn)象產(chǎn)生的方法。

2 實(shí)驗(yàn)過程與方法

實(shí)驗(yàn)室所用的是自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)的YG20硬質(zhì)合金,YG20硬質(zhì)合金的生產(chǎn)利用的是石蠟工藝,將粉末經(jīng)過模具壓制過后進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)的過程一般分為三個階段:

第一階段為低溫脫蠟階段。在220℃下保溫2h,20℃下保溫3h,375℃下保溫4h, 410℃下保溫0.5h。

第二階段為脫氣階段。在1 250℃溫度下,保溫1h。

第三階段為燒結(jié)階段。在1 380℃～1 480℃溫度下,保溫2h。

在燒結(jié)完成后隨爐冷卻到100℃左右,打開燒結(jié)爐,將樣品取出。對生產(chǎn)鼓泡的產(chǎn)品進(jìn)行SEM掃描,再對鼓泡區(qū)域進(jìn)行元素種類和含量的分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 YG20硬質(zhì)合金鼓泡區(qū)域的顯微形貌圖

如圖1所示為YG20硬質(zhì)合金鼓泡區(qū)域放大1 500倍后SEM顯微照片,其中可以看見高亮區(qū)域?yàn)楣呐莸膮^(qū)域,顏色為黑色的是正常區(qū)域,在視場中的較黑暗區(qū)域我們可以看見清楚的晶粒形貌。晶粒的形貌與正常無鼓泡現(xiàn)象的晶粒相比更棱角更圓潤,晶粒的分布更不均勻,形狀更不具有規(guī)律。

圖1 YG20硬質(zhì)合金鼓泡區(qū)域的SEM顯微照片(X1500)

3.2 YG20硬質(zhì)合金的鼓泡區(qū)域的成分分析

如圖2所示為YG20硬質(zhì)合金鼓泡區(qū)域及其周邊的宏觀SEM圖。圖2中的譜圖1為鼓泡的中心區(qū)域,譜圖2為正常區(qū)域,譜圖3為過渡區(qū)域。在SEM圖中可以清楚地分辨鼓泡區(qū)域和正常區(qū)域,本文對鼓泡區(qū)域的中心區(qū)域、過渡區(qū)域以及正常區(qū)域分別作了成分分析,如表格1所示,分別列出了三個不同區(qū)域所含的元素及其百分比。在對鼓泡區(qū)域的元成分及其百分比的分析中我們可以看出,鼓泡區(qū)域含有Na、Mg、Al、K、Ca等硬質(zhì)合金中不應(yīng)該含有的元素,因此很明顯合金中混入了其他雜質(zhì),再進(jìn)一步分析元素的種類和含量:Al、Mg、Si、O的含量較高,而Al、Si、O是地殼中的主要元素,因此可以斷定該部分鼓泡的產(chǎn)生是因?yàn)樵诤辖鹬苽溥^程中毛坯混入了塵土。

C元素作為硬質(zhì)合金中重要的元素在鼓泡區(qū)域中的含量為零,元素成分發(fā)生了巨大的變化,由此可以推斷出鼓泡區(qū)域的結(jié)構(gòu)性能將同正常的硬質(zhì)合金相比有很大的差異。很顯然,這種巨大的差異對合金來說是不利的,這種差異也使得合金中的C、O平衡被打破,合金的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,而結(jié)構(gòu)決定性能,合金的性能大大降低;O元素的急劇增加是C元素減少的重要原因,在高溫的環(huán)境中,合金中的C元素與O元素結(jié)合形成CO2氣體,在CO2逸出后C原子所占據(jù)的位置形成空位,并產(chǎn)生微孔洞,微孔洞是裂紋形成的重要原因[4],使得合金的使用性能降低。而產(chǎn)生的CO2氣體具有較小的曲率,具有較低的表面能,在硬質(zhì)合金燒結(jié)的致密過程中,殘留在燒結(jié)體內(nèi)部的氣體就會形成氣泡不斷地往表面移動,最后在表面形成鼓泡。在此移動的過程中并非所有的氣體都能移動到表面,而在合金內(nèi)部形成孔洞。此外,外部的氣體在燒結(jié)體內(nèi)聚集也可能導(dǎo)致鼓泡現(xiàn)象,這種情況的產(chǎn)生在現(xiàn)代的燒結(jié)工藝下不是很常見,因?yàn)楹辖鹪跓Y(jié)的時候一般采用真空或者低壓燒結(jié),在這樣的燒結(jié)條件下,氣體易于排除,不容易導(dǎo)致鼓泡或者氣孔。在常壓燒結(jié)下,合金出現(xiàn)液相致密時,仍滯留在燒結(jié)體內(nèi),在聚集后可能形成大的鼓泡或者孔洞。再次,合金內(nèi)部本身存在氣體,這部分氣體也是產(chǎn)生鼓泡和孔洞的重要原因。

將譜圖3與譜圖1作對比可以看出,鼓泡區(qū)域邊界的雜質(zhì)含量是最高的,與正常的合金成分相差最為明顯,通過對元素種類和比例的分析,我們可以推斷出,雜質(zhì)元素多與O元素結(jié)合形成氧化物殘存在合金中。而合金中過量的O元素可能來自于空氣中的氧氣,也可能是雜質(zhì)本身含有的,如SiO2、MgO、Al2O3等等。O元素的引入不但會引起C元素含量的降低也會影響Co元素的含量。由此可見鼓泡區(qū)域的邊界區(qū)域的成分最復(fù)雜。

圖2 YG20硬質(zhì)合金鼓泡區(qū)域及其周邊的宏觀SEM圖

3.3 解決鼓泡現(xiàn)象產(chǎn)生的方法

(1)對于外部氣體混在硬質(zhì)合金中導(dǎo)致的鼓泡,我們應(yīng)該在低溫?zé)Y(jié)時,采用低壓燒結(jié)甚至真空燒結(jié)的方法,讓內(nèi)部的氣體易于排除;在高溫?zé)Y(jié)時,采用高壓燒結(jié),易于液體流動填補(bǔ)[5]。

(2)對于如CO2等低表面能的氣體導(dǎo)致的鼓泡,我們需要在硬質(zhì)合金的制備過程中盡量減少雜質(zhì)的引入,規(guī)范員工的操作,合理化燒結(jié)工藝。

(3)對于硬質(zhì)合金內(nèi)部造成的鼓泡,我們應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝,避免如石蠟等成形劑的裂解,此外,也應(yīng)當(dāng)避免雜質(zhì)的介入。

表1 YG20硬質(zhì)合金鼓泡區(qū)域以及正常區(qū)域的成分(%)

4 結(jié)論與展望

通過對YG20硬質(zhì)合金表面鼓泡產(chǎn)生的原因的分析可知:

(1)規(guī)范生產(chǎn)者的操作,合理化生產(chǎn)工藝是減少硬質(zhì)合金表面鼓泡的有效方法。

(2)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鼓泡將會對合金的性能造成很大的影響。

(3)在硬質(zhì)合金的制備過程中,我們必須控制好C/O平衡,避免C元素的大量流失,導(dǎo)致在表面形成鼓泡,內(nèi)部形成孔洞。

在YG20硬質(zhì)合金的生產(chǎn)過程中,鼓泡是導(dǎo)致廢品產(chǎn)生的重要原因之一,認(rèn)真準(zhǔn)確地分析導(dǎo)致鼓泡產(chǎn)生的原因是解決鼓泡問題的前提,因此我們必須掌握好鼓泡產(chǎn)生的機(jī)理,合理化我們的生產(chǎn)工藝和規(guī)范操作流程,在條件允許的情況下,盡量采用可控的低壓燒結(jié)設(shè)備(如變壓燒結(jié))。

[1]Upadhyaya G S.Cemented tungsten carbides: production,properties and testing[M]. Westwood,NeyJersey:Noyes Publications, 1998:1-5.

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[3] Petersson A,gren J.Constitutive behavior of WC-Co materials with different grain size sintered under load[J].Acta Material,2004, 52(7):1847-1858.

[4] 李會會,易丹青,劉會群,趙聲志,等.硬質(zhì)合金沖擊疲勞行為的研究[J].硬質(zhì)合金,2014, 31(2):100-111.

[5] 顏杰,邵旭,唐楷,等.硬質(zhì)合金鼓泡與孔洞產(chǎn)生方法的原因分析及處理方法[J].湖南有色金屬,2010,26(3):33-38.

The Reason of Surface-bubbling of YG20 Cemented Carbide

LV Yu-sheng1,2,LI Meng1,2,WU Xiang2
(1.ZIGONG CEMENTED CARBIDE.Co.,LTD,Zigong 643011 Sichuan,China; 2.ZIGONG CEMENTED CARBIDE IMP.&EXP.Co.,LTD,Zigong 643011 Sichuan,China)

SEM Has been used to study the Surface-bubbling of YG20 Cemented Carbide which is produced by wax process,and test inside,edge and normal region of the Surface-bubbling, through comparison of element types and levels,It can be concluded that this batch of products bubbled because of introduction of impurities,According to general theory of formation of bubbling and porosity,the reason of formation of bubbling has been discussed,Three suggestion have been given to solve the bubbling problem:Regulate the behavior of operators;improve the production process to control the C/O balance better,and adopt the variable pressure sintering to reduce formation of bubbling and porosity to improve the quality of the product.

SEM;YG20;cemented carbide;bubbling

TG135.5

:A

1001-5108(2015)05-0046-04

呂宇升,總經(jīng)理,主要從事硬質(zhì)合金產(chǎn)品進(jìn)出口貿(mào)易管理的工作。