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        Fe/Ni與WC粒度對鐵鎳基硬質(zhì)合金組織及性能的影響

        2025-03-18 00:00:00劉澤楷楊樹忠張帆肖穎奕
        中國新技術新產(chǎn)品 2025年5期
        關鍵詞:顯微組織力學性能

        摘 要:本文研究Fe/Ni與碳化鎢(WC)粒度對鐵鎳基硬質(zhì)合金顯微組織以及性能的影響,采用粉末冶金法制備樣品,并使用X射線衍射儀(X-ray Powder Diffractometer,XRD)、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)和透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)等設備分析合金組織的結構和性能,測試了合金硬度、強度等力學性能。測試結果表明,隨著Fe/Ni增加,合金致密度下降。當Fe/Ni為1/2時,合金密度最大,硬度、抗拉強度最高。進一步研究可知,當WC粒度為1.3 μm時,硬度和抗彎強度達到峰值,分別為1 320.00HV3和2 980.66 MPa。本文為優(yōu)化鐵鎳基硬質(zhì)合金成分和性能提供了理論支持,提升了合金的綜合性能,拓展了其應用領域。

        關鍵詞:鐵鎳基硬質(zhì)合金;Fe/Ni;WC粒度;顯微組織;力學性能

        中圖分類號:TG 50" " " " " " 文獻標志碼:A

        硬質(zhì)合金在切削工具、鉆探采掘工具以及航空航天等多個領域應用前景廣闊[1-3]。研究人員以WC為基體,添加適量的鈷(Go)作為粘結相,制備強度和硬度高以及耐磨的硬質(zhì)合金材料[4-6],但是Co價格昂貴并且有毒。鐵(Fe)、鎳(Ni)元素與Co元素性質(zhì)相似,研究人員嘗試使用Fe、Ni來代替Co,F(xiàn)e-Ni相的結合不僅能夠發(fā)揮Fe和Ni各自的優(yōu)點,其復合相還能夠提高合金的韌性和抗沖擊性能[7],使硬質(zhì)合金在惡劣的工作環(huán)境中保持性能穩(wěn)定。

        鐵鎳基硬質(zhì)合金的性能受組織結構以及性能等多種因素影響,其中Fe/Ni與碳化鎢(WC)粒度是2個重要的因素,F(xiàn)e/Ni的變化會改變合金的相組成、晶粒尺寸以及微觀結構,進而影響其硬度、韌性以及耐磨性等力學性能。WC是硬質(zhì)合金中的硬質(zhì)相,其粒度對合金的性能有明顯影響。WC粒度越小,合金硬度越高,但是粒度過小也可能導致合金的韌性下降,易發(fā)生碎裂現(xiàn)象。因此,合理調(diào)控Fe/Ni比例和WC粒度,以優(yōu)化鐵鎳基硬質(zhì)合金的組織結構并提升其性能,成為當前研究的重要方向。

        1 試驗材料及方法

        1.1 試驗材料

        本文選用純度為99.9 wt.%的WC粉、純度為99.5 wt.%的Fe粉和Ni粉作為原料,所有粉末的粒度均控制在1 μm~5 μm。

        1.2 試驗方法

        試驗設計了不同F(xiàn)e/Ni比例(1/3、1/2、1/1、2/1和3/1)以及WC粒度(1.3 μm、3 μm、3.5 μm和6.5 μm)的WC-12%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金成分。將 WC、Co、Fe和Ni金屬粉末按照不同F(xiàn)e/Ni試驗方案進行配料,隨后將粉末放入滾筒球磨機中進行濕磨混料。在混料過程中,使用WC-10Co硬質(zhì)合金研磨棒作為研磨體,加入工業(yè)酒精作為濕磨介質(zhì),球料比為4∶1,在300 r/min的轉(zhuǎn)速下球磨14 h。在混料完畢后,將料漿倒入金屬料盤,放入真空干燥箱中,在70 ℃~

        80 ℃的溫度下保溫6 h,進行真空干燥。干燥后進行擦篩,獲得鐵鎳基硬質(zhì)合金混合料。然后,使用單項液壓機在150 MPa 壓力下將混合料壓制成抗彎強度測試標準B試樣壓坯(燒結尺寸為6.5 mm×5.25 mm×20 mm,尺寸誤差為±0.25 mm)。將壓坯在COD733RL-64bar型低壓燒結爐中進行脫蠟和燒結,燒結溫度設定為1 410 ℃,保溫時間為60 min,保壓壓力為5 MPa。

        燒結后的硬質(zhì)合金樣品經(jīng)過磨拋處理,直至表面呈現(xiàn)光亮。利用阿基米德原理,采用梅特勒XS204型密度計對硬質(zhì)合金試樣的相對密度進行測量。使用質(zhì)量分數(shù)均為10%的鐵氰化鉀和氫氧化鈉溶液,按體積比1∶1混合后,對磨拋后的樣品表面進行腐蝕,腐蝕時間控制在2 min~3 min。

        然后,利用蔡司金相顯微鏡對硬質(zhì)合金的顯微組織進行觀察。采用錫珍SJ-CM-2000型矯頑磁力計對合金的矯頑磁力進行測試,使用塞塔拉姆D6025型鈷磁儀測定硬質(zhì)合金的鈷磁。硬度測試則通過Emcotest Dura Scan 20 G5型全自動維氏硬度計完成,加載力設為30 N,保壓時間保持在10 s~15 s。

        最后,利用三思CMT5105萬能試驗機對硬質(zhì)合金的三點抗彎強度進行測試,跨距設置為14.5 mm,加載速率選定為4 mm/min。

        2 試驗結果和分析

        2.1 Fe/Ni對合金密度的影響

        圖1說明了不同F(xiàn)e/Ni比例合金的致密度。經(jīng)過低壓燒結,對比了WC-10%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金的實際密度與理論密度。由于Ni的密度大于Fe,隨著Ni含量減少,合金的理論密度也會變小,即合金的理論密度隨Fe/Ni比例的增加而逐漸變小。5組合金試樣致密度均處于較高水平,5號合金試樣出現(xiàn)輕微脫碳現(xiàn)象,導致其密度變大,實際密度超過了理論密度。1~4號合金試樣的組織中均未觀察到石墨相或脫碳相,且試樣孔隙度均達到A02、B00、C00級別。

        當Fe/Ni為3/1時,在合金燒結過程中出現(xiàn)輕微脫碳現(xiàn)象,導致合金密度增大,實際密度大于理論密度。

        當Fe/Ni為2/1、1/1和1/2時,合金中粘結相的Fe含量減少,Ni含量逐漸增大,合金液相燒結能力增強,有助于縮小孔隙,提高致密度,使實際密度可能更趨近于理論密度。當Fe/Ni為1/2時,實際密度與理論密度最接近,致密度最高。

        當Fe/Ni為1/3時,在燒結過程中,雖然Ni含量較多能夠使液相粘結效果更好,但是Ni的密度小于WC,因此實際密度增加幅度有限。同時,Ni含量過多可能影響合金的機械性能和耐腐蝕性。

        2.2 Fe/Ni對合金性能的影響

        不同F(xiàn)e/Ni的合金矯頑磁力如圖2所示。

        圖2為不同F(xiàn)e/Ni對WC-10%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金矯頑磁力的影響。由圖2可知,隨著Fe/Ni增加,合金中Fe含量增多,矯頑磁力逐漸變大,但是當Fe/Ni為2/1時變小。當Fe/Ni為1/3時,合金中Fe含量較少,Ni含量較多。由于Ni的磁學性能與Fe不同,因此影響了磁疇的排列和磁化過程,使矯頑磁力相對較小。當Fe/Ni為1/2、1/1時,隨著Fe含量增加和Ni含量減少,磁疇的釘扎效應可能得到增強,導致矯頑磁力逐漸變大。當Fe/Ni為2/1時,盡管Fe含量較多,但是未達到使矯頑磁力明顯變大的程度,同時可能出現(xiàn)一定的中間相,導致矯頑磁力變小。當Fe/Ni為3/1時,F(xiàn)e含量明顯增多。由于Fe的磁矩和磁化強度較高,增強了合金內(nèi)部磁疇的釘扎效應,并限制了磁疇的移動,因此矯頑磁力明顯變大。

        不同F(xiàn)e/Ni的合金物理性能如圖3所示。

        由圖3可知,不同F(xiàn)e/Ni對WC-10%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金硬度和抗彎強度性能的影響規(guī)律。隨著Fe/Ni增加,合金試樣的硬度呈現(xiàn)先增大再減少的趨勢。但是,當Fe/Ni為3/1時,合金試樣出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象,硬度驟增,達到1 180HV3。當Fe/Ni為1/3時,合金試樣硬度為980HV3,當Fe/Ni為1/2時,試樣硬度為1 080HV3,隨著Fe/Ni逐漸增至1/1、2/1,試樣硬度逐漸減少至970HV3和950HV3。表明Fe/Ni為1/2時是一個相對適中的比例。鐵鎳的加入在一定程度上抑制了WC晶粒的增大,晶粒細化增加了晶界的數(shù)量,而晶界能夠阻礙位錯的運動,使硬質(zhì)合金具有較高的硬度。

        不同的Fe/Ni會改變粘結相的性能,進而影響硬質(zhì)合金的抗彎強度。當Fe/Ni適當時,粘結相能夠與WC硬質(zhì)相更好地結合,發(fā)揮良好的粘結作用,提高材料的抗彎強度[8]。Fe的含量過高可能會導使粘結相的脆性提高,而Ni含量過高則可能導致粘結相的強度下降,這些情況都會降低硬質(zhì)合金的抗彎強度。由圖3可知,5組合金試樣的抗彎強度隨著Fe/Ni增加呈現(xiàn)先提高再降低的趨勢,并且當鐵鎳質(zhì)量分數(shù)為1/2時達到最大。當Fe/Ni為1/3時,合金試樣抗彎強度為

        2 853.09 MPa,當Fe/Ni增至1/2時,合金試樣抗彎強度達到峰值3 007.48 MPa。當Fe/Ni繼續(xù)增至1/1、2/1以及3/1時,合金試樣的抗彎強度逐漸降至2 735.99 MPa、2 685.50 MPa和2 423.41 MPa。綜上所述,當鐵鎳質(zhì)量分數(shù)為1/2時,鐵鎳粘結相能夠提高合金的抗彎強度。

        2.3 WC粒度對合金密度的影響

        為了研究WC粒度對WC-10%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金組織性能的影響,選擇了Fe/Ni為1/2的合金作為基礎。實驗中,分別采用了1.3 μm、3.0 μm、3.5 μm和6.5 μm四種不同的WC粒度,對WC-10%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金進行了燒結。在燒結后,對不同WC粒度的合金致密度進行了分析,結果如圖4所示。

        圖4說明了低壓燒結后WC-10%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金的致密度與WC粒度的關系。隨著WC粒度變大,合金的致密度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。細粒度WC顆粒能夠緊密堆積,顆粒間空隙較小,使單位體積內(nèi)的物質(zhì)含量相對較多。在燒結過程中,這種細粒度有利于物質(zhì)的充分擴散和結合,從而減少了因孔隙等缺陷導致的密度變小情況,保持了較高的密度。相反,隨著WC顆粒的增大,顆粒間孔隙相對增大,堆積變得疏松,單位體積內(nèi)的物質(zhì)含量減少。 在燒結過程中,由于WC顆粒較大,導致物質(zhì)擴散不充分,因此密度變小。

        2.4 WC粒度對合金性能的影響

        硬質(zhì)合金的矯頑磁力受其組織結構、成分及工藝條件的影響。在WC-10%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金中,粘結相由Fe和Ni組成,且成分固定為10%,因此其對矯頑磁力的影響可以忽略。同時,采用相同的燒結工藝,也排除了制備工藝對矯頑磁力的影響因素。

        WC是硬質(zhì)合金的主要硬質(zhì)相,其粒度會直接影響合金的顯微結構和性能。不同WC粒度的合金矯頑磁力如圖5所示。由圖5可知,隨著WC粒度增大,合金的矯頑磁力逐漸變小。當WC粒度變小時,晶界面積相對增加,導致磁化阻力變大,從而使矯頑磁力變強。反之,隨著WC粒度增大,晶粒間空隙增大,粘結相分散程度可能降低,在磁化過程中疇壁的運動阻力變小,使材料的矯頑磁力變?nèi)酢T诒疚闹?,當碳化鎢粒度從1.3 μm增至6.5 μm時,矯頑磁力從5.4 kA/m逐漸降至1.7 kA/m,這個結果與上述規(guī)律相符。

        不同WC粒度的合金物理性能如圖6所示。由圖6可知,當WC粒度為1.3μm時,合金性能較強,其硬度和抗彎強度均為測試樣品峰值,細小的晶粒能夠形成更致密的微觀結構,減少材料內(nèi)部缺陷,從而提升合金硬度。細顆粒的WC使粘結相在其周圍分布更均勻,增強了整體硬度。在WC含量相同的情況下,細顆粒WC占比相對較大,是合金硬度提高的原因之一。

        隨著WC粒度的增大,粗顆粒間的結合變得相對疏松,易產(chǎn)生微觀缺陷和空隙,導致整體硬度下降。同時,粗顆粒WC周圍的粘結相分布不均,也會降低硬度。

        WC粒度對合金的抗彎強度有很大影響,一方面,細顆粒的WC能夠提高材料的均勻性,減少局部應力集中,在一定程度上提高了抗彎強度;另一方面,細粒度會存在更多的晶界,對合金的晶界強化更明顯。當承受應力時,應力能均勻分散于各晶界,提高了抗彎強度。相反,WC顆粒變粗會降低顆粒分布的均勻性。當承受應力時,會導致局部應力集中,降低抗彎強度。粗WC顆粒與粘結相的結合界面相對較少,可能會影響材料的整體結合強度,對抗彎強度產(chǎn)生不利影響。

        3 結論

        本文通過燒結不同F(xiàn)e/Ni及不同WC粒度的WC-10%(Fe,Ni)硬質(zhì)合金材料,發(fā)現(xiàn)了4種合金性能的變化規(guī)律。1)當Fe/Ni等于3/1時,合金中Fe含量較多,增強了合金內(nèi)部磁疇的釘扎效應,并且阻礙了磁疇移動,使矯頑磁力明顯變大,從3.0以下增至6.6,與其他Fe/Ni合金相比,提高了127.6%。2)隨著Fe/Ni增加,合金致密度逐漸降低,硬度變化不大,當鐵鎳質(zhì)量分數(shù)為3/1時,合金發(fā)生輕微脫碳,硬度提高;當鐵鎳質(zhì)量分數(shù)為1/2時,合金的綜合性能較高,其致密度最接近100%,硬度和抗拉強度分別為1 080.00 HV3和3 007.48 MPa。3)隨著WC粒度增加,合金致密度逐漸變小,細顆粒能夠更緊密地堆積,減少了孔隙等缺陷出現(xiàn)的情況,粗顆粒會導致物質(zhì)擴散不充分,密度變小。WC粒度越小,晶界面積越大,磁化阻力變大,矯頑磁力相應變大。4)WC粒度變大,合金硬度和抗彎強度降低,當WC粒度為1.3 μm時,其硬度和抗彎強度最高,分別為1 320.00HV3和2 980.66 MPa。

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