李國平１,２,陳 文２,羅豐華１,杜 勇１,劉增林３,袁 勇３

(１．中南大學(xué),粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 ４１００８３;２．萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院,萊蕪 ２７１１００;

３．萊蕪鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司,萊蕪 ２７１１０４)

摘 要:以 FeＧMoＧC 預(yù)合金粉、FeMn８４C０．４合金粉、鎳粉、石墨粉和 TiC 粉為原料,經(jīng)燒結(jié)得到以高錳鋼為黏結(jié)相、TiC為硬質(zhì)相的不同鉬含量 TiCＧ高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金,研究了鉬含量對(duì)該鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織與性能的影響.結(jié)果表明:隨著鉬含量的增加,鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織中 TiC 顆粒的尺寸先減小后增大,其表面形成了(Ti,Mo)C 固溶體相;與添加純鉬粉的相比,添加含鉬預(yù)合金粉所得鋼結(jié)硬質(zhì)合金中的 TiC顆粒更細(xì)小,圓整度更好,且表面更易形成(Ti,Mo)C固溶體相;隨著鉬含量的增加,鋼結(jié)硬質(zhì)合金的相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度均先增大后減小,當(dāng)鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１．１５％時(shí)均達(dá)到最大,組織和綜合性能較佳.

關(guān)鍵詞:TiC;鋼結(jié)硬質(zhì)合金;預(yù)合金粉;組織;性能

０ 引 言

鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以難熔金屬碳化物(常用 WC、TiC等)為硬質(zhì)相、鋼為黏結(jié)相,采用粉末冶金工藝制備得到的一種新型工程材料,由于綜合了硬質(zhì)合金和鋼的優(yōu)點(diǎn),在切削刀具、工具模具以及耐磨零件等方面得到了廣泛應(yīng)用[１Ｇ５].其中,以高錳鋼為黏結(jié)相、TiC為硬質(zhì)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合金被廣泛應(yīng)用于礦山、水泥、地質(zhì)鉆探等存在劇烈沖擊振動(dòng)的場合[６Ｇ７].

實(shí)際應(yīng)用時(shí),這種高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金一般先制造成小尺寸的柱狀或板狀耐磨塊,再利用復(fù)合鑄造工藝和高錳鋼基體鑄為一體,成為復(fù)合鑄件.經(jīng)過熱處理(水韌處理)后,高錳鋼基體和高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金中的黏結(jié)相組織均為奧氏體,在劇烈沖擊作用下,表層的黏結(jié)相組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,使表層黏結(jié)相的硬度和耐磨性提高以便與硬質(zhì)相的相匹配;但內(nèi)部組織仍然是韌性很好的奧氏體,能夠承受劇烈的沖擊和振動(dòng).然而,由于黏結(jié)相對(duì)硬質(zhì)相的潤濕性差,導(dǎo)致兩相之間的結(jié)合強(qiáng)度低,因此鋼結(jié)硬質(zhì)合金最大的缺點(diǎn)是脆性大、耐沖擊性差[８].目前,在以 TiC或 Ti(C,N)為主要硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金以及金屬陶瓷的研究和生產(chǎn)過程中,通常會(huì)加入鉬或 Mo２C來改善黏結(jié)相對(duì)硬質(zhì)相顆粒的潤濕性[９Ｇ１６],從而提高黏結(jié)相和硬質(zhì)相的結(jié)合強(qiáng)度.考慮 到 合 金 成 分 要 求 以 及 成 本 等 因 素,鉬 或Mo２C的添加量都比較少,因此很難實(shí)現(xiàn)其均勻分布;而成分的均勻性對(duì)粉末冶金材料的性能有著重要影響.在實(shí)際生產(chǎn)中,鉬一般以純鉬粉或 Mo２C的形式加入,且添加純鉬粉后材料的組織和性能優(yōu)于添加Mo２C的[１７].不同合金中鉬或 Mo２C的添加量差異。

較大,一般由試驗(yàn)確定,過多或過少均會(huì)對(duì)合金性能產(chǎn)生不利的影響[１８Ｇ１９].目前,在制備鋼結(jié)硬質(zhì)合金時(shí),還沒有以預(yù)合金粉形式添加鉬的研究報(bào)道.因此,作者以 FeＧMoＧC預(yù)合金粉、FeMn８４C０．４合金粉、鎳粉、石墨粉和 TiC粉為原料燒結(jié)制備了以高錳鋼為黏結(jié)相、TiC為硬質(zhì)相的不同鉬含量 TiCＧ高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金,研究了鉬含量對(duì)鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織與性能的影響.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料:TiC 粉,粒徑３．１μm,純度９９．６％,氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)小于０．１０％,自由碳含量小于０．０５％,由株洲昂立?？萍加邢薰咎峁?鎳粉,粒徑６．５μm,純度９９．９％,氧含量小于０．０５％,由湖南冶金材料研究院提供;純鉬粉,粒徑９．７μm,純度９９．９％,氧含量小于０．０８％,由洛陽建宇鎢鉬科技有限公司提供;FeMn８４C０．４合金粉,粒徑３０μm,氧含量小于０．１０％,硅含量小于０．０６％,由錦州宏達(dá)新材料有限公司提供;石墨粉,粒徑 ６．０μm,純度９９．６％,氧含量小于０．０８％,由天津化學(xué)試劑有限公司提供;FeＧMoＧC 預(yù)合金粉,粒徑４５μm,氧含量小于０．１２％,采用自有的水霧化制粉設(shè)備經(jīng)熔煉、霧化、還原而得到的,其實(shí)測成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％,下同)

分別 為 FeＧ１．６２MoＧ０．７３C,FeＧ２．３５MoＧ０．７１C,FeＧ３．１８MoＧ０．７C,FeＧ４．３３MoＧ０．７１C.TiCＧ高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金的設(shè)計(jì)成分如表２所示.按照高錳鋼的設(shè)計(jì)成分計(jì)算并稱取鎳粉、石墨粉、FeMn８４C０．４合金粉和 FeＧMoＧC預(yù)合金粉,１＃ ~４＃ 試 樣 所 用 預(yù) 合 金 粉 的 成 分 依 次 為 FeＧ１．６２MoＧ０．７３C、FeＧ２．３５MoＧ０．７１C、FeＧ３．１８MoＧ０．７C、FeＧ４．３３MoＧ０．７１C,再計(jì)算并稱取 TiC粉,預(yù)混合１２０ min后,在XQMＧ１６A 型球磨機(jī)中以酒精為介質(zhì)進(jìn)行濕磨,研磨球?yàn)楹辖痄撉?球料質(zhì)量比為５∶１,球磨轉(zhuǎn)速為２００r??min－１,球 磨 時(shí) 間 ２４h. 球 磨 后 的 粉 體 在２００ MPa的 壓 力 下 壓 制 成 型,在 １３６０ ℃ 保 溫

４０min燒結(jié),得到 TiCＧ高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金,尺寸為?２０mm×５５mm.在相同條件下,以純鉬粉替代 FeＧMoＧC預(yù)合 金 粉 制 備 與 ３＃ 試 樣 設(shè) 計(jì) 成 分 相同的５＃ 試樣.

根據(jù)ISO３３６９:２００６,采用阿基米德排水法測燒結(jié)試樣的密度并計(jì)算相對(duì)密度.根據(jù) GB/T２３０．１－２００４,采用 HRＧ１５０B型洛氏硬度計(jì)測洛氏硬度.

采用高錳鋼常規(guī)熱處理工藝對(duì)燒結(jié)試樣進(jìn)行熱處理,根據(jù)ISO３３２７:２００９,使用 WEWＧ１００型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測熱處理前后試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度,試樣尺寸為５mm×５mm×３５mm,跨距為２０mm,壓頭下壓速度為 １ mm??min－１.根據(jù) GB/T１８１７－１９９５,使用JBＧW３００B型全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)測沖擊韌度,試樣尺寸為１０mm×１０mm×５５mm.使用NovaNanoSEMＧ４５０型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒結(jié)試樣的顯微組織和沖擊斷口形貌,顯微組織觀察時(shí)采用背散射模式.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 對(duì)顯微組織的影響

圖１和圖２中的黑色顆粒是硬質(zhì)相 TiC,白色部位是黏結(jié)相.由圖１可以看出:當(dāng)鉬含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為０．６０％時(shí),TiC顆粒的尺寸差異較大,部分發(fā)生了異常長大,這是因?yàn)檩^低的鉬含量使黏結(jié)相對(duì) TiC顆粒潤濕不良而導(dǎo)致的;隨著鉬含量的增加,TiC顆粒的尺寸先減小,當(dāng)鉬含量為１．５５％時(shí)又增大,且部分 TiC顆粒發(fā)生了異常長大,這是因?yàn)殂f含量較高時(shí) TiC顆粒表面形成的(Ti,Mo)C固溶體相(又稱為環(huán)形相)層較厚而導(dǎo)致的.對(duì)比圖１(c)和圖２可知:當(dāng)鉬以預(yù)合金粉的形式加入時(shí),TiC顆粒較細(xì)小,且圓整度較好;以純鉬粉形式加入時(shí),盡管tiC顆粒的尺寸比較小,但尺寸分布較寬,不規(guī)則形狀顆粒的數(shù)量較多.

研 究[８Ｇ９,１１Ｇ１２,１４]表 明:當(dāng) 黏 結(jié) 相 中 添 加 了 鉬 或Mo２C后,與 TiC 粉混合燒結(jié)時(shí)會(huì)在 TiC 顆粒表面形成環(huán)形相,從而改善黏結(jié)相對(duì) TiC 顆粒的 潤 濕性;環(huán)形相的形成既能阻止 TiC顆粒在固相燒結(jié)階段的合并長大,又能抑制其在液相燒結(jié)階段的溶解析出長大.為了分析以不同方式添加鉬后,在 TiC 顆粒表面生成環(huán)形相的難易程度,在１２００ ℃保溫６０min條件下燒結(jié)制備了鋼結(jié)硬質(zhì)合金試樣并進(jìn)行了對(duì)比.由圖３可見:添加預(yù)合金粉燒結(jié)后,在含１．１５％鉬試中,TiC顆粒和黏結(jié)相界面處鉬元素含量較高,說明 TiC 顆粒表面生成了環(huán)形相;添加純鉬粉燒結(jié)后,從 TiC顆粒與黏結(jié)相的一側(cè)界面至另一側(cè)界面,鉬含量基本沒有變化,表明 TiC 顆粒表面沒有形成環(huán)形相.預(yù)合金粉的熔點(diǎn)較低,添加預(yù)合金粉在１２００ ℃燒結(jié)時(shí)黏結(jié)相就已經(jīng)熔融,鉬元素發(fā)生擴(kuò)散、溶解和析出而在 TiC顆粒表面形成明顯的環(huán)形相,改善了黏結(jié)相對(duì) TiC硬質(zhì)相的潤濕性.

２．２ 對(duì)相對(duì)密度的影響

由圖４可知:隨著鉬含量的增加,添加預(yù)合金粉 燒結(jié)所得試樣的相對(duì)密度先增大后減小,當(dāng)鉬含量 為１．１５％時(shí)達(dá)到最大.結(jié)合圖３分析可知:當(dāng)鉬含 量較低時(shí),TiC顆粒表面未能形成有效的環(huán)形相層, 黏結(jié)相對(duì)TiC顆粒的潤濕性不好,所以相對(duì)密度較低;隨著鉬含量的增加,TiC顆粒表面形成了有效的 環(huán)形相層,改善了其表面潤濕性并抑制了其合并長 大,同時(shí)也阻止了其溶解Ｇ析出長大,因此 TiC 顆粒 尺寸減小,相對(duì)密度提高;但當(dāng)鉬含量為１．５５％時(shí), 較厚的環(huán)形相層導(dǎo)致缺陷和微裂紋數(shù)量增加,TiC 顆粒發(fā)生粗化,因此相對(duì)密度降低.

２．３ 對(duì)力學(xué)性能的影響

硬質(zhì)合金的硬度一般取決于硬質(zhì)相的尺寸和黏結(jié)相的體積分?jǐn)?shù)[８].由圖５可知:添加預(yù)合金粉燒結(jié)后,試樣的硬度隨鉬含量的增加先增大后減小,當(dāng)鉬含量為１．１５％時(shí)達(dá)到最大.當(dāng)鉬含量較低時(shí),試樣的相對(duì)密度較低、顆粒尺寸不均勻,因此硬度較低;而當(dāng)鉬含量超過１．１５％時(shí),TiC顆粒表面的環(huán)形相層厚度增大,而環(huán)形相的硬度低于 TiC 的,因此硬度降低.

由圖６可以看出:熱處理后試樣的抗彎強(qiáng)度明顯提高,這是因?yàn)闊崽幚砗箴そY(jié)相的組織為塑性和韌性很好的奧氏體;隨著鉬含量的增加,熱處理前后試樣的 抗 彎 強(qiáng) 度 均 先 增 大 后 降 低,當(dāng) 鉬 含 量 為１．１５％時(shí),抗彎強(qiáng)度均達(dá)到最大,熱處理后其最大值為２３２６MPa,比常規(guī) TM５２、TM６０高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金的(１９００~２０００ MPa)至少提高了１６．３％.這是由于在燒結(jié)過程中,TiC 顆粒表面形成的環(huán)形相層改善了黏結(jié)相對(duì) TiC顆粒的潤濕性,提高了結(jié)合強(qiáng)度并使組織發(fā)生細(xì)化而導(dǎo)致的.

由圖７可以看出,隨著鉬含量的增加,試樣的沖擊韌度先增后降,當(dāng)鉬含量為１．１５％時(shí)達(dá)到最大,為１３．１９J??cm－２,比常規(guī) TM５２、TM６０高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金的(８．１~１０．０J??cm－２)提高了３０％以上.一般而言,大尺寸顆粒抵抗斷裂的能力較大,因此隨著顆粒尺寸的增大,合金的沖擊韌性增大.但是,由于SiC顆粒和黏結(jié)相之間潤濕性的改善,二者之間的結(jié)合強(qiáng)度得到了提高,因此,雖然當(dāng)鉬含量由０．６０％增至１．１５％時(shí)顆粒發(fā)生了細(xì)化,但沖擊韌度仍增大.

當(dāng)鉬含量為１．５５％時(shí),盡管 TiC顆粒的尺寸最大,但由于其表面環(huán)形相層的厚度增加,導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增強(qiáng),缺陷及裂紋增多,因此沖擊韌性下降[９,１１,２０].由圖８可以看出:添加預(yù)合金粉和純鉬粉燒結(jié)試樣的沖擊斷口均呈穿晶斷裂和沿晶斷裂的復(fù)合特征;添加含鉬預(yù)合金粉后,沖擊斷口上由沿晶斷裂造成的韌窩和撕裂脊比較明顯且分布均勻,說明發(fā)生了韌性

斷裂;添加純鉬粉后,沖擊斷口中出現(xiàn)了解理或者準(zhǔn)解理斷裂形貌,脆性斷裂所占區(qū)域較大,說明發(fā)生了脆性斷裂.綜上所述,當(dāng)鉬以FeＧMoＧC預(yù)合金粉的形式加入時(shí),燒結(jié)所得試樣的沖擊韌性得到了提高.

３ 結(jié) 論

(１)以 FeＧMoＧC 預(yù)合金粉、FeMn８４C０．４合金粉、鎳粉、石墨粉和 TiC 粉為原料燒結(jié)得到以高錳鋼為黏結(jié)相、TiC為硬質(zhì)相的不同鉬含量 TiCＧ高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金.隨著鉬含量的增加,鋼結(jié)硬質(zhì)合金組織中 TiC顆粒的尺寸先減小后增大,顆粒表面形成了(Ti,Mo)C 固溶體相(環(huán)形相),改善了表面潤濕性;與添加純鉬粉相比,添加含鉬預(yù)合金粉得到的鋼結(jié)硬質(zhì)合金中 TiC 顆粒更細(xì)小,圓整度更好,且表面更易形成環(huán)形相.

(２)隨著鉬含量的增加,TiCＧ高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金的相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度均先增大后減小,并在鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１．１５％時(shí)達(dá)到最大,分別為９８．６８％,６５．８HRC,２３２６MPa,１３．１９J??cm－２,鋼結(jié)硬質(zhì)合金具有較好的組織和綜合性能.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料>2018年>8期> pp.37）