廖 軍,蔣 陽(yáng),李重典,閔召宇,徐志超,魯穎煒

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽合肥230009; 2.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011)

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燒結(jié)溫度對(duì)WC-6.1Co超粗合金微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響

廖 軍1,2,蔣 陽(yáng)1,李重典2,閔召宇2,徐志超2,魯穎煒1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽合肥230009; 2.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川自貢643011)

摘 要:采用傳統(tǒng)的低壓燒結(jié)工藝制備了WC-6.1Co超粗硬質(zhì)合金,并通過(guò)光學(xué)金相觀察和力學(xué)、物理性能檢測(cè)研究了燒結(jié)溫度對(duì)該硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)以及性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:低壓燒結(jié)制備的合金中WC晶粒度隨燒結(jié)溫度的升高而增大,WC晶?？紫妒冀K較少,且棱角較鮮明,組織發(fā)育完整。此外,雖然磁力和導(dǎo)熱系數(shù)隨燒結(jié)溫度的升高分別單調(diào)下降和增加,但燒結(jié)溫度為1 430℃時(shí),WC-6.1Co超粗硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和硬度較高,具有最優(yōu)的綜合性能。

關(guān)鍵詞:超粗硬質(zhì)合金;燒結(jié)溫度;微觀結(jié)構(gòu);性能

1 引言

WC-Co硬質(zhì)合金由于具有高的硬度、強(qiáng)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(kāi)采和模具等領(lǐng)域[1]。超粗晶硬質(zhì)合金是目前世界硬質(zhì)合金主要技術(shù)進(jìn)展代表之一,呈現(xiàn)出從單純的材料制備技術(shù)向注重材料應(yīng)用研究轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)[2]。與鈷含量相當(dāng)?shù)钠渌Я６群辖鹣啾?這種合金因具有更高的斷裂韌性、熱傳導(dǎo)性以及抗熱疲勞性[3-4],因此被廣泛用于采礦、軋輥、鑿巖等場(chǎng)合,市場(chǎng)前景廣闊。瑞典、英國(guó)、德國(guó)、意大利等國(guó)家在很早就對(duì)粗晶粒硬質(zhì)合金進(jìn)行了研究,通過(guò)平衡鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和WC顆粒大小,可獲得韌性和硬度匹配良好的硬質(zhì)合金,并且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化[5]。國(guó)內(nèi)近幾年才開(kāi)展超粗硬質(zhì)合金方面的研究,公開(kāi)報(bào)道的文獻(xiàn)不多。主要研發(fā)生產(chǎn)公司有株洲硬質(zhì)合金有限公司、自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司、廈門(mén)金鷺特種合金有限公司、蘇州江鉆新銳硬質(zhì)合金有限公司等。

在硬質(zhì)合金的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,燒結(jié)溫度對(duì)其性能有至關(guān)重要的影響,現(xiàn)以WC-6.1Co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一系列試樣,通過(guò)對(duì)性能及微觀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與觀察,探討了燒結(jié)溫度對(duì)超粗晶硬質(zhì)合金性能及微觀組織的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法

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),球形Co粉由上海百洛達(dá)公司生產(chǎn),實(shí)驗(yàn)原料的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)用粉末原料的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2.2 試樣制備

試樣制備采用傳統(tǒng)粉末冶金方法,具體的制備工藝為:將原始粉末WC、Co按試驗(yàn)配方稱(chēng)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380ml/kg,球料比2∶1,加入2.0wt％的石蠟作為成型劑,球磨時(shí)間14h。球磨結(jié)束后,料漿過(guò)篩后經(jīng)真空干燥制得粒料。利用60t單柱液壓機(jī)壓制直徑為15mm的試樣,壓制壓力180MPa,隨后,所有壓坯均擺放在石墨舟皿上,并置于低壓燒結(jié)爐中。采用不同燒結(jié)溫度燒結(jié)時(shí),壓力維持在5.0 MPa,時(shí)間固定為90 min,具體樣品的燒結(jié)溫度如表2所示。

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,和日本三豐公司生產(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。利用英國(guó)Hot Disk AB公司生產(chǎn)的Hot Disk TPS2500S型熱常數(shù)分析儀,采用瞬變平面熱源法(TPS)技術(shù)測(cè)量硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)系數(shù),測(cè)量的原理和方法已有文獻(xiàn)報(bào)道闡明[6]。

表2　WC-6.1Co合金的燒結(jié)溫度

3 結(jié)果與分析

3.1 硬質(zhì)合金的矯頑磁力和硬度

不同燒結(jié)溫度制備的合金矯頑磁力和硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

圖1　WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金矯頑磁力和硬度與燒結(jié)溫度的關(guān)系

從圖1可以看出,WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金矯頑磁力隨燒結(jié)溫度升高而降低,合金的硬度隨燒結(jié)溫度升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。矯頑磁力與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,矯頑磁力也隨之增大,因此矯頑力可以作為間接衡量WC晶粒大小的指標(biāo)[6],晶粒粗,矯頑磁力則低。隨著燒結(jié)溫度升高,晶粒出現(xiàn)長(zhǎng)大,合金矯頑磁力降低。燒結(jié)溫度從1 360℃升高1 400℃,合金中WC晶粒長(zhǎng)大不顯著,燒結(jié)溫度提高,粘結(jié)相分布更加均勻,同時(shí)粘結(jié)相中W、C原子固溶量增加,鈷相得到強(qiáng)化,故合金硬度隨燒結(jié)溫度升高而升高;燒結(jié)溫度從1 400℃升高到1 480℃,合金中WC晶粒長(zhǎng)大充分,根據(jù)Hall-Petch定律[7],合金硬度隨燒結(jié)溫度升高而降低。

3

.2 硬質(zhì)合金密度和抗彎強(qiáng)度

WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金的密度和抗彎強(qiáng)度與燒結(jié)溫度的關(guān)系見(jiàn)圖2所示。

圖2　WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金密度和抗彎強(qiáng)度與燒結(jié)溫度的關(guān)系

從圖2可以看出,WC-6.1Co超粗硬質(zhì)合金隨燒結(jié)溫度的升高其密度值變化不大;硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度升高呈現(xiàn)先增長(zhǎng)至最大值后降低的趨勢(shì),合金抗彎強(qiáng)度在1 420℃出現(xiàn)最大值,達(dá)到2 440MPa。這可以從合金的金相結(jié)果(見(jiàn)表3)以及金相照片(見(jiàn)圖4)找到原因,當(dāng)燒結(jié)溫度低于1 420℃時(shí),隨燒結(jié)溫度的升高,合金粘結(jié)相分布更加均勻、組織均勻性得到提高,合金抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)[8];當(dāng)燒結(jié)溫度高于1 420℃時(shí),合金粘結(jié)相分布變得惡化、出現(xiàn)較多粗大WC晶粒,合金組織均勻性變差,根據(jù)鈴木壽的強(qiáng)度研究結(jié)論[9],合金中的缺陷如孔洞、脆性脫碳相、游離碳以及粗大WC晶粒會(huì)使硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度值降低,這些缺陷的尺寸越大,抗彎強(qiáng)度的降低幅度就越大,故合金抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的提高而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

3.3 硬質(zhì)合金導(dǎo)熱系數(shù)

超粗WC-6.1Co硬質(zhì)合金矯頑磁力與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3　WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金矯頑磁力與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

從圖3可以看出,隨合金矯頑磁力的降低,合金的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。即硬質(zhì)合金的WC平均晶粒變粗,合金的導(dǎo)熱系數(shù)變大。經(jīng)數(shù)據(jù)理合分析,矯頑磁力和導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān),兩者滿(mǎn)足Y=-0.1527X+29.597函數(shù)關(guān)系。

3.4 硬質(zhì)合金的微觀結(jié)構(gòu)

表3和圖4分別給出了不同燒結(jié)溫度制備的合金的金相照片。

表3　不同燒結(jié)溫度制備的合金試樣微觀組織

圖4　WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金在不同燒結(jié)溫度下的金相照片(1500×)

從表3和圖4可以看出隨燒結(jié)溫度的升高,WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金中平均WC粒度增大;溫度越高,合金中WC晶粒組織分布更加不均,1 480℃的燒結(jié)溫度制備的合金,其平均WC晶粒超過(guò)5um,達(dá)到5.03um。從金相圖片還可以看出合金組織中的WC晶粒孔隙少,棱角較鮮明,組織發(fā)育較完整。

圖5給出了不同燒結(jié)溫度制備的WC-6.1Co超粗硬質(zhì)合金合金試樣的WC粒度分布結(jié)果。

圖5　不同燒結(jié)溫度下WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金的WC粒度分布

從圖5中可以看出,隨燒結(jié)溫度提高, WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金中的WC晶粒長(zhǎng)大變粗,WC平均晶粒尺寸增大,晶粒尺寸大于7μm的WC晶粒占比增大,小于2μm 的WC晶粒占比減少。一般情況下,燒結(jié)溫度越高,液相含量越多,細(xì)小的WC顆粒溶解在液相的量越多,溶解再結(jié)晶長(zhǎng)大程度越嚴(yán)重,故高燒結(jié)溫度高制備的合金,細(xì)小WC晶粒量少,粗大的WC晶粒多。WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金中WC粒度離差系數(shù)越大, 即WC晶粒的均勻性越差。超粗合金中WC粒度離差系數(shù)在0.70～0.85間,合金晶粒分布較均勻。

4 結(jié)論

(1)采用1 430℃、5.0MPa壓力燒結(jié)工藝,WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金具有最優(yōu)的綜合性能,密度14.92g/cm3,硬度87.6HRA,強(qiáng)度2 440MPa,磁力5.3KA/m,合金導(dǎo)熱系數(shù)為155.9W/m K。

(2)WC-6.1Co超粗硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱系數(shù)隨合金矯頑磁力的降低呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。矯頑磁力和導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,兩者滿(mǎn)足Y=-0.1527X+29.597函數(shù)關(guān)系。

(3)低壓燒結(jié)制備的WC-6.1Co超粗晶粒硬質(zhì)合金,合金金相達(dá)到A02B00C00E00水平,WC平均晶粒尺寸隨燒結(jié)溫度的升高而增大,合金組織中的WC晶粒孔隙少,棱角鮮明,組織發(fā)育完整。

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Effect of Sintering Temperature on the Microstructures and Properties of WC-6.1Co Ultra-Coarse Grained Cemented Carbides

LIAO Jun1,2,JIANG Yang1,LI Zhong-dian2, MIN Zhao-yu2,XU Zhi-chao2,LU Ying-wei1
(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Anhui 230009 Hefei,China; 2.Zigong Cemented Carbide Co.Ltd.,Zigong 643011 Sichuan,China)

Abstract:WC-6.1Co ultra-coarse grained cemented carbides were prepared by the traditional lowpressure sintering process The metallography observation and mechanical and physical characterizations have been performed to study the effect of sintering temperature on the microstructures and properties of the ultra-coarse grained cemented carbides.It is found that the grain size of WC increases with the sintering temperature increasing.Moreover,the WC grains keep less pores and present integrality of microstructures with distinct edges and corners.In addition,the coercive force and thermal conductivity monotonically decreasing and increasing,respectively,with the sintering temperature growing,however,the WC-6.1Co ultra-coarse grained cemented carbide sintered at 1 430℃reached highest bending strength and hardness,and eventually gained thebook=33,ebook=37best comprehensive performance.

Key words:ultra-coarse grained cemented carbides;sintering temperature;microstructure;properties

作者簡(jiǎn)介:廖軍,工程師,長(zhǎng)期從事硬質(zhì)合金技術(shù)與研發(fā)工作。

文章編號(hào):1001-5108(2016)01-0032-06

中圖分類(lèi)號(hào):TQ174,TG135

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A