鄧四文

(成都電焊機研究所, 成都 610051)

硬質(zhì)合金是由高熔點的金屬化合物和金屬黏結(jié)劑經(jīng)粉末冶金方法制成的，具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好等特點，并且還具有一定的韌性。硬質(zhì)合金被廣泛應(yīng)用于切削工具、采礦設(shè)備以及金屬密封等領(lǐng)域[1]。通常要求硬質(zhì)合金具有承載能力好、耐磨性好、抗沖擊能力強等特點[2]。低鈷粗顆粒和高鈷細顆粒硬質(zhì)合金具有高耐磨性與強韌性[3]?？椎路降萚4]在原料粉末粒度為0.8 μm，鈷的質(zhì)量分數(shù)為10%的碳化鎢(WC)細晶硬質(zhì)合金中加入不同量的4 μm～11 μm粒度的WC粉末，考察細晶硬質(zhì)合金中粗晶粒的含量和粗晶尺寸對細晶硬質(zhì)合金性能的影響，發(fā)現(xiàn)細晶硬質(zhì)合金中粗晶WC粒度小于10 μm，粗晶體積分數(shù)小于0.29%，合金的綜合性能可達到未含粗晶WC合金的性能。郭圣達等[5]對不同鈷含量的粗晶硬質(zhì)合金生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)進行了研究，發(fā)現(xiàn)鈷含量越低，合金硬度越高；孔隙率越小，晶粒分布越均勻，合金強度和硬度越高。閆明遠[6]等在細顆粒WC中逐漸增加粗顆粒WC含量，以找到粗細顆粒搭配量對合金性能的影響，發(fā)現(xiàn)對于鈷的質(zhì)量分數(shù)為7%的WC硬質(zhì)合金，當粗顆粒WC質(zhì)量分數(shù)為50%時，合金的綜合力學(xué)性能最佳。在實際使用中，主要要求合金具有高的抗折斷能力和高的耐磨性。

筆者制作了兩種硬度相同的低鈷粗顆粒硬質(zhì)合金和高鈷細顆粒硬質(zhì)合金，比較相同硬度下低鈷粗顆粒硬質(zhì)合金和高鈷細顆粒硬質(zhì)合金的性能，并評估其耐磨性和抗折斷能力，采用金相檢驗、力學(xué)性能試驗等方法對這兩種硬質(zhì)合金的選用原則進行了分析。

1 材料的配制

制作了含鈷的質(zhì)量分數(shù)分別為8%和18%的WC硬質(zhì)合金，分別命名為YG8T和YG18T，硬度為(1 300±50) HV。

YG8T中WC粉(WC-1)的費氏粒度為2.8 μm，YG18T中WC粉(WC-2)的費氏粒度為1.6 μm；兩者采用的鈷粉費氏粒度均為1.11 μm。由于YG18T的粉料太細，需增加晶粒長大抑制劑碳化鉭(TaC)，其費氏粒度為1.45 μm。粉料的化學(xué)成分如表1所示[7-9]。

表1 粉料的化學(xué)成分 %

采用小罐球磨筒進行配料，以鈷為黏結(jié)劑、石臘為成形劑，為了使YG8T和YG18T的硬度相同，需將碳元素的質(zhì)量分數(shù)控制為6.11%和6.08%，所以YG18T的配料中需加質(zhì)量分數(shù)為0.4%的鎢粉。每罐加0.27 L酒精，0.025 kg石臘，0.17 g油酸(0.2 mL)，料球比為1…1，裝填系數(shù)為0.5，球磨時間為48 h，YG8T和YG18T的混合配料成分如表2所示。

表2 YG8T和YG18T的混合配料成分 %

混合料經(jīng)過濾、烘干、擦篩、制粒等工序形成可壓制料，在DORST型雙向壓機上按制好的模具壓制試樣，壓力為150 MPa～200 MPa，制備10個橫向斷裂強度試樣用于檢測橫向斷裂強度(抗彎強度)，10個沖擊韌性試樣用于檢測沖擊韌性，4個方形試塊用于金相檢驗以及硬度、密度、粒度等測試，6個磨損試樣用于檢測材料的耐磨性。將壓制好的料各配在兩爐中燒結(jié)，不同晶粒度的硬質(zhì)合金不放在同一爐中。配爐采用低壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為1 480 ℃和1 410 ℃，加壓壓力為5 MPa。

2 試驗方法

將燒結(jié)出來的試樣在DY618S型平面磨床和120#金剛石砂輪上進行粗磨，再用消磁器進行消磁。將方形試塊用酒精進行清洗、吹干后，采用BSA-224S-DS1型密度儀。按照GB/T 3850—2015《致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金密度測定方法》的規(guī)定測試試樣的密度；采用YSK-IV型矯頑磁力計，按照GB/T 3848—2017 《硬質(zhì)合金 矯頑(磁)力測定方法》測試試樣的矯頑力；采用MCoMT-Ⅱ型鈷磁測量儀，按照GB/T 23369—2009 《硬質(zhì)合金磁飽和(MS)測定的標準試驗方法》 測量試樣中鈷的含量。

將方形試樣用DK7735型線切割機切成尺寸(長×寬×高)為20 mm×20 mm×15 mm的小方塊，在CAST N Vac1000型真空鑲嵌機上采用環(huán)氧樹脂對試樣進行鑲嵌；用EcoMet300/AutoMet300型金相拋磨機進行粗磨、精磨、研磨和拋光；用消磁器進行消磁；將試樣浸泡在乙醇中，在SK8200HP型超聲波清洗器中進行清洗。經(jīng)吹干后，按照GB/T 3489—2015 《硬質(zhì)合金 孔隙度和非化合碳的金相測定》的要求用OLYMPUS BX51RF型光學(xué)顯微鏡進行孔隙度和非化合碳的測定。采用體積分數(shù)均為20%的鐵氰化鉀和氫氧化鉀水溶液的混合溶液作為腐蝕劑，對試樣拋光面按時間長度進行輕度、中度和重度腐蝕，并分別清洗吹干后，按照GB/T 3488.1—2014 《硬質(zhì)合金 顯微組織的金相測定 第1部分：金相照片和描述》的規(guī)定用OLYMPUS BX51RF型光學(xué)顯微鏡進行η相、γ相、α相的測定；采用Quanta 650型掃描電鏡(SEM)對試樣進行分析，按照GB/T 3488.2—2018 《硬質(zhì)合金 顯微組織的金相測定 第2部分：WC晶粒尺寸的測量》的規(guī)定測量合金中WC組織的晶粒度。

將方塊試樣的未腐蝕部位放置在Rockwell 574型洛氏硬度計上，按照GB/T 3849—1983 《硬質(zhì)合金洛氏硬度(A標尺)試驗方法》測量試樣的洛氏硬度，再在 THVS-30型數(shù)顯維氏硬度計上，按照JB/T 12616—2016 《硬質(zhì)合金刀具基體材料斷裂韌性檢測方法》的規(guī)定測試斷裂韌性。

橫向斷裂強度試樣精磨后的尺寸(長×寬×高)為(20±1)mm×(6.5±0.25)mm×(5.25±0.25)mm，表面粗糙度Ra≤0.4 μm，為B型試樣，在跨度為(14.5±0.5) mm的WDW-100KN型硬質(zhì)合金抗彎強度專用試驗機上，按照GB/T 3851—1983《硬質(zhì)合金橫向斷裂強度測定方法》的規(guī)定測試試樣的橫向斷裂強度。

沖擊試樣精磨后的尺寸(長×寬×高)為(50±1)mm×(5.0±0.3) mm×(5.0±0.3) mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm，砧座跨距為30 mm，在ZBC8501-C(15，25 J)型懸臂梁沖擊試驗機上，按照GB/T 1817—1995 《硬質(zhì)合金常溫沖擊韌性試驗方法》測量試樣的沖擊韌性。

按照ISO 28080：2021—2021 《硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金的磨損試驗》的要求進行試樣的磨損試驗。磨損試樣的尺寸(長×寬×高)為50 mm×25 mm×8 mm，對試樣進行粗磨后，采用標樂牌金相拋磨機進行精磨，試樣表面平面度不大于125 μm，試樣表面粗糙度Ra≤0.8 μm，將磨損試樣嵌入干砂橡膠輪式磨損試驗機的夾具中，施加于試樣的法向載荷為(130±4) N；磨料采用砂粒磨圓度好、無棱角，且SiO2的質(zhì)量分數(shù)大于98%的鑄造用硅砂，粒徑為40～70目，落砂流速為(126±5) g/min，用超聲波清洗后稱取質(zhì)量，并計算前后質(zhì)量差，即為該試樣的磨損值。

3 試驗結(jié)果與分析

YG8T和 YG18T兩種合金的力學(xué)性能如表3所示，由表3可知：為了保證低鈷YG8T與高鈷YG18T兩種合金具有相同的硬度，其WC顆粒的晶粒度必然有差異，分別為中顆粒和亞微細顆粒；YG8T的沖擊韌性達到了8.96 J/cm2,這比常規(guī)的YG8合金高50%。兩種合金的微觀形貌分別如圖1，2所示。兩種合金的A類孔隙級別為A02，無B類孔隙，合金的致密度高，這是由于采用了低壓燒結(jié)，YG8T合金的密度達到理論密度的99.75%，YG18T的密度達到理論密度的99.87%。這兩種合金的矯頑力也有差別，但相差不是很大，這與保證具有相同的硬度有關(guān)，并且由于YG8T合金的晶粒度大些，鈷元素含量低些，所以磁力相應(yīng)小些。

表3 兩種合金的力學(xué)性能

圖1 YG8T合金的微觀形貌

圖2 YG18T合金的微觀形貌

鎢鈷類硬質(zhì)合金的橫向斷裂強度和沖擊韌性與合金的晶粒度及孔隙率正相關(guān)，WC的晶粒越細，WC晶粒與Co元素的接觸面越大，Co元素的平均自由程越小，合金的孔隙率降低，合金的橫向斷裂強度和沖擊韌性增大。這兩種材料性能差別最大的是橫向斷裂強度和沖擊韌性。由于在檢測材料的橫向斷裂強度和沖擊韌性時，都需要將試樣壓斷和打斷，因此中顆粒的YG8T合金中WC晶粒較粗，試樣斷裂表現(xiàn)為WC的穿晶斷裂。由于亞細顆粒的YG18T合金中WC晶粒較細，試樣條的斷裂表現(xiàn)為沿晶斷裂，所以亞細顆粒的YG18T具有比中顆粒的YG8T更高的橫向斷裂強度和沖擊韌性[10]，YG8T合金的穿晶斷裂和YG18T合金的沿晶斷裂微觀形貌如圖3，4所示。

圖3 YG8T合金的穿晶斷裂微觀形貌

圖4 YG18T合金的沿晶斷裂微觀形貌

從橫向斷裂強度和沖擊韌性這兩項指標看，YG8T的橫向斷裂強度比YG18T的橫向斷裂強度低51%，而YG8T的沖擊韌性比YG18T的沖擊韌性低63%，YG8T合金比YG18T合金更容易斷裂。在使用礦用合金時，并不要求將合金進行強力沖斷，而是要考察合金的抗折斷能力，所以礦用合金的抗斷裂能力并不是根據(jù)這兩項指標進行判斷的，而主要是根據(jù)合金的斷裂韌性確定合金的抗斷裂能力。這兩種合金的斷裂韌性相差不到3%，其斷裂韌性檢測結(jié)果如表4所示，由表4可知：這兩種合金的抗斷裂能力是同一等級的。這是由于中顆粒YG8T的WC晶粒比YG18T的WC晶粒粗，當被尖銳金剛石壓頭壓裂后，出現(xiàn)裂紋的偏轉(zhuǎn)和分叉現(xiàn)象，從而使斷裂面表面積增大，斷裂韌性也增大[11]。高硬度的YG18T合金也具有較高的斷裂韌性，主要原因在于TaC的固溶強化作用,TaC顆粒在Co黏結(jié)相中擴散和溶解，對Co黏結(jié)相起到了強化作用，當尖銳金剛石壓頭使其產(chǎn)生初始裂紋后，裂紋將會發(fā)生偏轉(zhuǎn)而消耗更多的能量，從而提高了斷裂韌性。并且TaC本身具有較高的韌性，也能對合金起到增韌作用，所以雖然YG18T合金與高鈷類合金相比有更高的硬度，但其斷裂韌性卻并沒有降低。

表4 兩種合金的斷裂韌性檢測結(jié)果

兩種合金的磨損試驗結(jié)果如表5所示，由表5可知，兩種合金的耐磨性相差1.6%，屬于同一等級，YG8T的耐磨性比YG18T稍高，這是因為YG8T的硬度比YG18T稍高，對于硬質(zhì)合金，可以用硬度衡量其耐磨性，兩者具有一定的線性對應(yīng)關(guān)系。從磨損機理上看，中顆粒的YG8T主要表現(xiàn)為WC顆粒的塑性變形導(dǎo)致材料的去除；而亞細顆粒的YG18T主要表現(xiàn)為鈷相的去除導(dǎo)致WC的脫落[12]?？傊?，相同硬度的低鈷粗顆粒合金與高鈷細顆粒合金具有幾乎相同的耐磨性，如果優(yōu)先需要考慮耐磨性，就優(yōu)先選用低鈷粗顆粒合金，且從合金燒結(jié)的性能穩(wěn)定性看，低鈷粗顆粒合金比高鈷細顆粒合金性能穩(wěn)定。如果優(yōu)先需要考慮抗折斷能力，就優(yōu)先選用高鈷細顆粒合金，高鈷細顆粒具有稍好的抗折斷能力。

表5 兩種合金的磨損試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 相同硬度的低鈷粗顆粒與高鈷細顆粒的硬質(zhì)合金相比，低鈷粗顆粒合金具有更好的合金燒結(jié)性能穩(wěn)定性；為了保證晶粒不長大，高鈷細顆粒合金在燒結(jié)時需加入抑制劑。

(2) 相同硬度的低鈷粗顆粒與高鈷細顆粒硬質(zhì)合金相比，低鈷粗顆粒合金具有更低的鈷含量和鈷磁、更高的密度和更大的晶粒度；兩種合金具有相同孔隙率和幾乎相同的矯頑力，且非化合碳含量和η相含量均為0。

(3) 相同硬度的低鈷粗顆粒與高鈷細顆粒硬質(zhì)合金相比，低鈷粗顆粒合金具有更低的抗彎強度和沖擊韌性；兩者的斷裂韌性和耐磨性幾乎相同，但低鈷粗顆粒合金的耐磨性稍高，高鈷細顆粒合金的抗折斷能力稍高。

(4) 如果需要優(yōu)先考慮耐磨性，可優(yōu)先選用低鈷粗顆粒硬質(zhì)合金；如果需要優(yōu)先考慮抗折斷能力，可優(yōu)先選用高鈷細顆粒硬質(zhì)合金，高鈷細顆粒硬質(zhì)合金具有稍好的抗折斷能力。