李重典,時(shí)凱華,2,王海霞,廖軍,閔召宇,徐志超

(1.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011; 2.中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410083)

碳含量對(duì)WC-8.0%Co硬質(zhì)合金性能及微觀組織的影響

李重典1,時(shí)凱華1,2,王海霞1,廖軍1,閔召宇1,徐志超1

(1.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011; 2.中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410083)

采用傳統(tǒng)粉末冶金法,分別制備出兩種碳量的WC-8.0Co硬質(zhì)合金樣品。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡對(duì)合金微觀組織結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察與分析,并對(duì)比兩種碳量的硬質(zhì)合金刀片耐磨損性能。結(jié)果表明:提高配碳量,合金鈷磁值升高,磁力、密度和硬度降低,合金中易出現(xiàn)異常長(zhǎng)大的WC晶粒,Co相分布更加不均勻現(xiàn)象;在合金WC+γ兩相區(qū)的碳量范圍內(nèi),碳量低的合金刀片的耐磨性優(yōu)于碳量高的合金刀片。

硬質(zhì)合金;碳含量;性能;微觀結(jié)構(gòu);磨損

1 引言

WC-Co硬質(zhì)合金由于具有高的強(qiáng)度、硬度以及高的楊氏模量而在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,例如機(jī)械加工用刀具、耐磨零件、石油、礦山開采和模具等領(lǐng)域[1-3]。WC-Co系硬質(zhì)合金在用作切削工具時(shí),其主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬材料,是產(chǎn)量最大、用途最廣的一類硬質(zhì)合金。有研究表明,碳含量對(duì)硬質(zhì)合金的組織和性能有極大的影響[4]。碳含量過高會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)中WC晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大,因?yàn)楫?dāng)碳含量超過理論含量后,多余的游離碳會(huì)在低于共晶點(diǎn)溫度下與WC和γ相產(chǎn)生三元共熔反應(yīng),導(dǎo)致硬質(zhì)合金燒結(jié)液相點(diǎn)的降低,并且液相量隨碳含量的增加而增加,所以在實(shí)際的燒結(jié)溫度下增加了液相量并延長(zhǎng)了液相保持時(shí)間。根據(jù)WC晶粒長(zhǎng)大溶解-析出機(jī)理,WC溶解析出量越多, WC晶粒越容易長(zhǎng)大。所以碳含量除對(duì)合金晶粒度有影響外,對(duì)相組成也有很大影響[5]。在WC-Co系硬質(zhì)合金中,由于Co對(duì)硬質(zhì)相WC有良好的潤(rùn)濕性和粘結(jié)性,且C、W在Co相中部分溶解[6],使WC-Co系硬質(zhì)合金具有高密度、高硬度、高強(qiáng)度和高耐磨性[7]。由此可見,要獲得綜合性能較優(yōu)的合金,要嚴(yán)格控制碳的含量。在硬質(zhì)合金制造過程中,因生產(chǎn)工序繁雜、影響因素繁多,在整個(gè)硬質(zhì)合金生產(chǎn)鏈中的每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)碳產(chǎn)生影響,因此對(duì)混合料或合金碳量控制顯得極為重要。

本文以WC-8.0Co硬質(zhì)合金材料為研究對(duì)象,采用傳統(tǒng)粉末冶金方法制備了不同碳量的合金試樣,通過對(duì)性能及微觀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與觀察,探討了不同碳量對(duì)硬質(zhì)合金常規(guī)性能、切削性能及微觀組織的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用的WC粉末由自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司生產(chǎn),上海百洛達(dá)公司生產(chǎn)的球形Co粉,實(shí)驗(yàn)原料具體參數(shù)如表1所示,各種粉末的形貌見圖1。

表1 實(shí)驗(yàn)用粉末原料的物理和化學(xué)性能

圖1 原始粉末形貌照片

2.2 試樣制備

試樣制備采用傳統(tǒng)粉末冶金方法。WC-8.0%Co為基體,通過添加炭黑,制備了兩種不同碳量的樣品,實(shí)驗(yàn)的成分配比按表2進(jìn)行。具體的制備工藝為:將原始粉末WC、Co、炭黑按試驗(yàn)配方稱好后倒入硬質(zhì)合金球磨罐中,裝入直徑約為6.35mm硬質(zhì)合金球(ISO:K20),用滾動(dòng)球磨機(jī)濕磨,轉(zhuǎn)速為63rpm;己烷加量為200ml/kg,球料比4∶1,加入2.0wt%的石蠟作為成型劑,球磨時(shí)間48h。球磨結(jié)束后,料漿過篩后經(jīng)噴霧干燥制得粒料。利用60t單柱液壓機(jī)壓制直徑為15mm的試樣,壓制壓力180MPa。所有的壓坯均擺放在石墨舟皿上,為保持試樣脫蠟效果一致,放置在同一舟皿中心位置,采用寧波島津真空技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的PHSgr30/30/90脫脂加壓燒結(jié)急速冷卻爐,經(jīng)9.0h氫氣脫蠟后,采用1 400℃,保溫90min燒結(jié)工藝制得合金試樣和切削刀片試樣(型號(hào)A320)。

表2 樣品主要標(biāo)稱成分

2.3 性能檢測(cè)

采用排水法測(cè)定合金試樣密度,合金試樣的金相腐蝕采用等體積的20%氫氧化鈉溶液和20%鐵氰化鉀溶液的混合液。利用德國(guó)萊卡公司生產(chǎn)的DMl5000M型金相顯微鏡觀察合金金相,利用日本三豐公司生產(chǎn)的ARK-600型洛氏硬度計(jì)測(cè)量合金的洛氏硬度(載荷60kgf,保荷時(shí)間5s),利用德國(guó)KOERZEMAT 1.096型矯頑磁力儀測(cè)合金矯頑磁力,法國(guó)塞塔拉姆公司生產(chǎn)的D6025型鈷磁儀測(cè)定硬質(zhì)合金的鈷磁,利用中國(guó)大連機(jī)床廠生產(chǎn)的CW61100E車床檢測(cè)試樣切削灰鑄鐵(HT250,硬度170-190HB)的耐磨損性能,切削試驗(yàn)參數(shù):VC=120m/ min,ap=2.0mm,f=0.2mm/r。

3 結(jié)果與討論

3.1 硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)

表3和如圖2分別給出了不同碳量制備的合金的金相結(jié)果和金相照片。

表3 不同碳量制備的合金試樣微觀組織

圖2 不同碳量制備的合金試樣的光學(xué)金相圖片

從表3可以看出,相同燒結(jié)工藝制備的不同碳量的兩種合金試樣致密化程度高,孔隙水平均達(dá)到了A02B00水平,WC平均晶粒尺寸等級(jí)均為1.2um,Co層厚度小于1.0 um。但從合金的金相圖片(圖2)可以看出,相同燒結(jié)工藝,配碳量高的1#合金試樣中存在粗大的WC晶粒(圖中黑色箭頭位置)較碳量低的2#合金試樣多。因1#合金試樣中存在較多粗大的WC晶粒,故其Co層厚(圖中白色箭頭位置)度較厚,Co層整體分布變得不均。因1#合金試樣碳含量偏高,其碳含量(合金系統(tǒng)中WC碳含量為6.23%)超過理論含量,多余的游離碳會(huì)在低于共晶點(diǎn)溫度下與WC和γ相產(chǎn)生三元共熔反應(yīng),導(dǎo)致硬質(zhì)合金燒結(jié)時(shí)液相點(diǎn)降低,并且液相量隨碳含量的增加而增加,所以在實(shí)際的燒結(jié)溫度下增加了液相量并延長(zhǎng)了液相保持時(shí)間。根據(jù)WC晶粒長(zhǎng)大溶解-析出機(jī)理,WC溶解析出量越多,WC晶粒越容易長(zhǎng)大,導(dǎo)致制備的1#合金試樣WC晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重。對(duì)比兩合金的金相照片可知,碳量低的2#合金試樣微觀組織結(jié)構(gòu)均勻性優(yōu)于1#合金試樣。

3.2 硬質(zhì)合金的性能

不同碳量制備的合金的性能如表4所示。

表4 不同碳量制備的合金性能

從表4中可知,合金的磁性能(磁力、鈷磁)、硬度和密度與合金碳量存在不同的變化規(guī)律。碳量的提高,合金鈷磁增加,合金的磁力、硬度和密度降低。鈷磁(Com)是WC-Co硬質(zhì)合金中的Co在磁場(chǎng)中能被磁化的部分占合金質(zhì)量(被測(cè)合金)的百分比。Com值與合金中的含碳量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在WC+γ兩相區(qū)內(nèi),Com值隨合金碳量增加而增加,通過Com值可以衡量合金中的碳量[8]。因1#合金試樣的配碳量高于2#合金試樣,采用相同的燒結(jié)工藝和處在相同的燒結(jié)環(huán)境,故1#合金試樣的碳量(Com值)高于2#合金試樣;矯頑力(Hc)與WC晶粒大小成反比:當(dāng)鈷含量一定時(shí),鈷相的分散程度隨著碳化鎢晶粒變細(xì)而提高,矯頑力也隨之增大。因此矯頑力可以作為間接衡量WC晶粒大小的指標(biāo)[9],晶粒細(xì),矯頑力則大。由圖2可以得知,1#合金試樣中的WC晶粒粗大、Co層厚度大,故1#合金試樣磁力對(duì)于2#合金試樣,在WC+γ兩相區(qū)內(nèi),合金的碳量降低,γ相中含W量增加,合金密度增大,故2#合金試樣的密度高于1#合金試樣;合金硬度是個(gè)綜合性能指標(biāo),影響硬質(zhì)合金硬度性能的主要因素有:合金致密度,Co相體積分?jǐn)?shù)、Co相成分和WC的晶粒尺寸。合金的孔隙度、晶粒尺寸與硬質(zhì)合金的硬度關(guān)系如式(1)所示[10]。

式中:H為合金的硬度;d是合金晶粒尺寸;P是孔隙度,K、a、b是常數(shù)。由式(1)可知孔隙度P減小、晶粒細(xì)化會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金硬度增加。因2#合金試樣的碳量(Com值)偏低,γ相中含W量增加,γ相得到固溶強(qiáng)化,且WC晶粒較細(xì),故2#合金試樣的硬度高于1#合金試樣。

3.3 硬質(zhì)合金耐磨損性能

車削試驗(yàn)后,不同碳量制備的合金刀片磨損形貌如圖3所示。

圖3 不同碳量制備的合金試樣的前刀面和后刀面磨損形貌圖

從兩組不同碳量制備的合金刀片切削試驗(yàn)后的前后刀片磨損形貌圖可以看出,碳量高的1#合金試樣后刀面(圖a)平均磨損值(VB=0.780mm)大于2#合金試樣前刀面(圖b)平均磨損值(VB=0.492mm);合金的鈷磁值升高0.69%,刀片后刀面磨損值增加58.54 %。1#合金試樣刀片前刀面(圖a-1)的月牙洼深度和寬度均大于2#合金試樣刀片(圖b-1)。因2#合金試樣的碳量(Com值)偏低,γ相中含W量多,γ相得到固溶強(qiáng)化,且WC晶粒較細(xì)、硬度高、抗塑性變形能力增強(qiáng),故2#合金試樣刀片的耐磨性高于1#合金試樣刀片。從試驗(yàn)刀片的前刀面和后刀面的磨損情況看,處在WC+γ兩相區(qū)內(nèi)的合金刀片,碳量低的合金刀片的耐磨性優(yōu)于碳量高的合金刀片。

4 結(jié)論

(1)采用相同的燒結(jié)工藝和燒結(jié)環(huán)境, WC-8.0%Co混合料中WC配碳量提高0.06%,合金鈷磁值提高0.69%,磁力降低0.6k A/m,密度降低0.07g/cm3,硬度降低0.3HRA。

(2)WC-8.0%Co混合料配碳量提高,合金中WC晶粒更容易長(zhǎng)大,出現(xiàn)較多異常長(zhǎng)大的粗大WC晶粒,合金Co相分布不均程度加劇。

(3)處在WC+γ兩相區(qū)內(nèi)的WC-8.0% Co合金刀片,碳量低的合金刀片的耐磨性優(yōu)于碳量高的合金刀片;合金的鈷磁值升高0.69%,刀片后刀面磨損值增加58.54%。

[1] HUANG S G,VANMEENSEL K,BIEST O V,et al.Binderless WC and WC-VC materials obtained by pulsed electric current sintering[J].International Journal of Refractory Metals&Hard Materials,2008,26(1): 41-47.

[2] 程繼貴,王華林,夏永紅,等.功能梯度硬質(zhì)合金和金屬陶瓷材料研究的新進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2000,14(4):16-18.

[3] Springs G E.A history of fine grained hardmetal[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Mate-rials,1995,(13):241 -255.

[4]Yamamoto Y,Matsumoto A,Doi Y.Properties of ultrafine tungsten carbide and cemented carbide by direct carbonization[A].Proceedings 14th International Plansee Seminar[A].Reutte,Austria: Plansee AG,1997:596.

[5] 李壯,王家君,林晨光,等.WC-Co超細(xì)硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響[J].硬質(zhì)合金, 2009,26(3):188-192.

[6] 柏振海,孫寶琦,黎文獻(xiàn).鐵、鈷、鎳粘結(jié)的(W、Ti)C硬質(zhì)合金的碳含量研究[J].硬質(zhì)合金, 2002,19(2):70-73.

[7] WENTZEL E J,ALLEN C.The erosioncorrosion resistance of tungsten carbide hard metals.International Journal of Refractory Metals&Hard Materials,1997,15(1/2/3): 81-87.

[8] 李廣生.超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金的磁性能與金相分析[J].中國(guó)鎢業(yè),2008,23(2):33-35.

[9] Roebuck B.Terminnology,testing,properties,imaging and models for fine grained hard materials. International Journal of Refractory Metals& Hard Materials,1995,13(5):265-279.

[10]M.Sherif El-Eskandarany,Amir A.Mahday. Synthesis and characterizations of ball-milled nanocrystalline WC and nanocomposite WCCo powders and subsequent consolidations. Journal of Alloys and Compounds 2000, 312:315-325.

Effect of the Carbon Content on the Properties and Microstructure of WC-8.0%Co Cemented Carbides

LI Zhong-dian1,SHI Kai-hua1,2,WANG Hai-xia1, LIAO Jun1,MIN Zhao-yu1,XU Zhi-chao1
(1.Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd,Zigong 643011,Sichuan,China; 2.State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)

A series of WC-8.0Co cemented carbides with two kinds of carbon content were prepared by vacuum sintering through traditional powder metallurgy method.Optical microscopy (OM),scanning electron microscopy(SEM)were used to characterize the microstructures.The results show that increasing the carbon content of cemented carbides,can increases cobalt magnetism,the density and hardness of cemented carbides has decreased.The phenomenon of abnormal growth of WC grains become more easy and Co phase distribution become more uneven in cemented carbides with the carbon content increases.The carbon content of cemented carbides in the range of WC+γcarbon content of region,The wear resistance of low cobalt magnetism cutting inserts outstanding than high cobalt magnetism cutting inserts.

cemented carbides;carbon content;properties;microstructure;wear

TG135.5

:A

1001-5108(2015)04-0009-05

李重典,工程師,碩士研究生,主要從事硬質(zhì)合金技術(shù)管理及研發(fā)工作。