黃 偉,時(shí)凱華,劉 江,顧金寶,王芳艷

(自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川 自貢 643011)

Co粉的物理化學(xué)性能包括Co粉的形貌、平均粒度、氧含量、純度、松裝密度等。在硬質(zhì)合金的制備中, 鈷粉的制備工藝和鈷粉的形貌、粒徑及純度直接影響了硬質(zhì)合金的質(zhì)量, 甚至影響到硬質(zhì)合金的發(fā)展[1]。硬質(zhì)合金除對(duì)鈷粉的純度要求嚴(yán)格外,還對(duì)其粒度和形態(tài)有很高的要求，張健[2]認(rèn)為,鈷粉平均粒度應(yīng)在1～ 1. 5 μm,且粒度分布均勻呈球形。鈷粉粒度也影響合金性能，按規(guī)定鈷粉松裝密度≤0.75 g/cm3,Fsss≤4.0 μm，一般超細(xì)硬質(zhì)合金用超細(xì)鈷粉,K類合金用Fsss=1.5 μm的鈷粉，M10、M20等牌號(hào)用Fsss=2.5 μm鈷粉，礦山工具用Fsss= 4.0 μm的鈷粉[3]。竭正強(qiáng)[4]認(rèn)為，隨著球形度增加，Co 粉在混合料中分布更均勻，超細(xì)晶硬質(zhì)合金的TRS隨之提高；張衛(wèi)兵[5]研究了WC、Co 質(zhì)量對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金性能影響:認(rèn)為Co粉粒度對(duì)合金性能影響不是很大,粒度小于1.3 μm即可；吳志堅(jiān)[6]認(rèn)為鈷粉粒度對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)也有一定的影響，大于3 μm 的粗鈷粉容易造成超細(xì)合金中出現(xiàn)鈷池，鈷粉太細(xì)則可能造成鈷相分布不均。高鈷粗顆粒硬質(zhì)合金主要用作冷鐓模具，對(duì)合金的耐磨性、強(qiáng)度都有很高的要求，晶粒度均勻、粒度分布更窄的合金有更高的強(qiáng)度，沒有鈷粉對(duì)高鈷粗顆粒合金性能影響的相關(guān)報(bào)道，本文研究了鈷粉粒度對(duì)高鈷粗顆粒硬質(zhì)合金性能的影響，希望通過選擇Co粉粒度提高合金的綜合性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

本實(shí)驗(yàn)選用WC為自貢硬質(zhì)合金公司生產(chǎn)，粒度(Fsss)為25 μm，其中Co粉選自市售商品鈷粉，平均粒度(Fsss)分別為1.33 μm、2.21 μm、2.70 μm，鈷粉的具體性能參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用鈷粉粒度以及氧含量

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

高鈷粗顆粒硬質(zhì)合金一般指鈷含量20%-25%，晶粒度在2.0μm以上的硬質(zhì)合金，主要用作冷鐓模具的模芯材質(zhì)，在冷鐓模的應(yīng)用中，以鈷含量22%的合金應(yīng)用最廣，最具有代表性的合金牌號(hào)有自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司的 ZL40.5，春保鎢鋼的VA90等，所以本次實(shí)驗(yàn)按WC-22wt.%Co成分配制WC-Co原料粉末，用相同石蠟己烷工藝，經(jīng)球磨、壓制、燒結(jié)制備實(shí)驗(yàn)標(biāo)樣，實(shí)驗(yàn)參數(shù)：配料重量1000 g，石蠟加量20 g，己烷加量400 ml，球磨24小時(shí)，壓制標(biāo)樣:5.25 mm×6.5 mm×20 mm，采用5 MPa壓力，1420 ℃燒結(jié)。用Hitachi S-3000N掃描電鏡對(duì)三種不同的鈷粉形貌進(jìn)行觀察，用美國(guó)95型費(fèi)氏平均粒度儀測(cè)試鈷粉粒度；用德國(guó)KOERZEMAT 1.096型矯頑磁力儀檢測(cè)合金磁力；用法國(guó)塞塔拉姆公司生產(chǎn)的D6025型鈷磁儀測(cè)量合金鈷磁 ；用日本三豐公司生產(chǎn)的ARK-600型硬度儀測(cè)試合金硬度；用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法測(cè)定硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度(B標(biāo)尺)；用德國(guó)萊卡公司DMI5000M型金相顯微鏡，采用截線法測(cè)試合金定量金相及粒度分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈷粉形貌對(duì)比

圖1中1#、2#、3#為三種費(fèi)氏鈷粉的SEM照片，從照片上可以看出，三種鈷粉均為類樹枝狀[6]，多數(shù)鈷粉團(tuán)聚在一起，不同費(fèi)氏的鈷粉粗細(xì)有明顯的差異。隨著鈷粉粒度的不同，形貌產(chǎn)生了一些差異，其中3#鈷粉有比較明顯的再結(jié)晶，這可能與粗顆粒鈷粉的還原溫度比較高有關(guān)，因?yàn)闇囟雀? 還原反應(yīng)的速度加快, 但隨著溫度的不斷升高,鈷粉顆粒之間互相燒結(jié)再結(jié)晶的作用增加, 導(dǎo)致鈷粉顆粒長(zhǎng)大[7]。鈷粉的 Fsss越高, 鈷粉的粒度越粗。

圖1 原料鈷粉的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of the cobalt powders: (a) powder 1#, (b)powder 2#, (c)powder3#

2.2 金相以及定量金相檢測(cè)結(jié)果

圖2 定量金相Fig.2 Quantitative metallography

通過對(duì)三組合金的金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)金相檢測(cè)沒有明顯的差別，但是從圖2的截線法測(cè)定1#、2#、3#合金的定量金相結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：隨著鈷粉Fsss粒度增加，合金定量金相WC粒度從2.82 μm逐漸增大2.98 μm；粒徑離差系數(shù)從0.7026減小到0.5964，呈逐漸降低趨勢(shì)。從定量金相的結(jié)果顯示，隨著鈷粉粒度的增加，離差系數(shù)逐漸減小，說明WC的粒度更加均勻。

結(jié)合圖3中的WC晶粒統(tǒng)計(jì)圖，隨著鈷粉粒度增加，1#、2#、3#合金定量金相中粒度在0.5～1.0 μm的WC細(xì)晶粒所占比例分別為12%、10%、8.1%，呈逐漸下降趨勢(shì)；圖4金相照片也進(jìn)一步證實(shí)，3#樣品金相照片中細(xì)小的WC晶粒明顯較少，隨著鈷粉Fsss粒度的增加，細(xì)晶粒的比例逐漸減小。

圖3 WC粒度統(tǒng)計(jì)分布圖Fig.3 distribution of the WC particle size:(a) sample 1#, (b)sample 2#, (c)sample 3#

圖4 金相照片F(xiàn)ig.4 Microstructure picture：(a) sample 1#, (b)sample 2#,(c)sample 3#......

經(jīng)分析，引起合金定量金相WC粒度增加、離差系數(shù)的減少、細(xì)顆粒WC的減少，合金的WC晶粒均勻性得到改善的主要原因是：枝狀鈷粉有較多的團(tuán)粒，加上鈷粉延展性較好，在球磨過程中很難將它進(jìn)一步細(xì)化[8]，粒度更粗的鈷粉阻礙了更多WC的進(jìn)一步破碎，減少了細(xì)顆粒WC所占的比例，帶來合金定量金相粒度的增加以及WC均勻性的改善，鈷粉粒度的增加對(duì)提高高鈷粗顆粒合金的WC均勻性有幫助。

2.3 合金性能檢測(cè)

三組合金的機(jī)械物理性能結(jié)果見表2，從表2可知，鈷粉的Fsss粒度從1.33 μm增加至2.70 μm，制備的合金硬度(HRA)從82.7降低到82.4，矯頑磁力從4.2 KA/m降低至4.0 KA/m，隨著鈷粉Fsss粒度的增加，硬度、磁力逐漸降低；矯頑磁力是合金飽和磁化后完全退出磁性的反磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁力與合金的鈷層厚度成線性函數(shù)關(guān)系，鈷層厚度越厚Hc值越小，厚度越薄磁力值越大，相同鈷含量，WC晶粒度越粗，鈷層厚度越厚，磁力越低；相同鈷含量，合金的矯頑磁力與合金WC的晶粒度成反比[3]，與圖2的WC定量金相分析結(jié)果趨勢(shì)相吻合。高鈷合金隨著合金粒度的增加，合金的強(qiáng)度逐漸降低，合金的WC粒度分布范圍窄的，其抗彎強(qiáng)度值較高[9]，1#樣品對(duì)比2#樣品，定量金相從2.82 μm增加到2.93 μm，離差系數(shù)從0.70降低到0.61，抗彎強(qiáng)度從2220 MPa增加到2270 MPa，離差系數(shù)的降低對(duì)強(qiáng)度起主要作用，2#樣品對(duì)比3#樣品，定量金相從2.93 μm增加到2.98 μm，離差系數(shù)從0.61降低到0.59，強(qiáng)度降低到2230 MPa，離差系數(shù)降低較少，晶粒度的增加對(duì)合金的強(qiáng)度影響更為明顯。合金密度、鈷磁變化不明顯。

表2 機(jī)械物理性能

吳志堅(jiān)[10]認(rèn)為影響合金的Hc主要是由鈷粉在合金中鈷相平均自由程所決定的，較粗的鈷粉往往有較大的鈷相平均自由程，從而較粗的鈷粉在合金中有比較低的Hc，相同組成合金的Hc和硬度成正比關(guān)系[3],所以隨著鈷粉粒度的增加，磁力硬度逐漸降低。鈷粉粒度小于2 μm，抗彎強(qiáng)度隨鈷粉粒度的增大而先增大后減小,鈷粉粒度2 μm 之后，抗彎強(qiáng)度基本沒什么變化[10]，本次實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度先增加后降低，變化趨勢(shì)與其結(jié)論一致。

3 結(jié)論

為得到更好粒度分布的高鈷粗顆粒合金，以提高合金的綜合使用性能，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同F(xiàn)sss粒度的鈷粉對(duì)高鈷粗顆粒合金性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)隨著鈷粉Fsss粒度從1.33 μm增加到2.70 μm，定量金相分析WC-22wt.%Co粗顆粒合金中的WC平均晶粒度略有增加，離差系數(shù)減小，適宜的鈷粉Fsss粒度能夠提高高鈷粗顆粒合金WC晶粒的均勻性；

(2)在相同的工藝條件下，隨著鈷粉Fsss粒度從1.33 μm增加2.70 μm，WC-22wt.%Co粗顆粒合金的硬度和磁力略有下降，鈷粉粒度為2.21 μm的合金強(qiáng)度最高，密度無明顯變化。