摘 要:為了確定某些礦用硬質(zhì)合金的選用原則,分析了具有相同硬度、不同高鈷和低鈷含量硬 質(zhì)合金的性能差異,制作了硬度約為89.5HRA 的 YG8T 低鈷粗顆粒和 YG18T 高鈷細顆粒硬質(zhì) 合金。采用金相檢驗、力學性能測試等方法分析了兩種合金的性能,對兩種合金的斷裂韌性和耐磨 性進行了檢測,結果表明:相同硬度的低鈷粗顆粒硬質(zhì)合金的耐磨性更好,高鈷細顆粒硬質(zhì)合金具 有更好的抗折斷能力。
關鍵詞:硬質(zhì)合金;低鈷粗顆粒;高鈷細顆粒;耐磨性;斷裂韌性
中圖分類號:TH87;TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)06-0021-05
硬質(zhì)合金是由高熔點的金屬化合物和金屬黏結 劑經(jīng)粉末冶金方法制成的,具有硬度高、耐磨性好、 化學穩(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)合金被廣泛應用于切削工具、采礦設 備以及金屬密封等領域[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0.8μm,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4μm~11μm 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10μm,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(1300±50)HV。
YG8T 中 WC 粉 (WC-1)的 費 氏 粒 度 為 2.8μm,YG18T 中 WC 粉 (WC-2)的 費 氏 粒 度 為1.6μm;兩者采 用 的 鈷 粉 費 氏 粒 度 均 為 1.11μm。 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1.45μm。粉料的化 學成分如表1所示[7-9]。
采用小罐球磨筒進行配料,以鈷為黏結劑、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,0.025kg 石 臘,0.17g 油 酸 (0.2mL),料球比為1∶1,裝填系數(shù)為0.5,球磨時間 為48h,YG8T 和 YG18T 的混合配料成分如表 2 所示。
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150MPa~200MPa,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,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,燒 結 溫 度 分 別 為 1480℃和 1410℃,加壓壓力為5MPa。
2 試驗方法
將燒結出來的試樣在 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/T3850—2015 《致密燒結金屬材料與硬質(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/T3848—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/T23369—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20mm×20mm×15mm 的小方 塊,在 CASTN 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/T3489—2015《硬質(zhì)合金 孔隙度和非化合碳的 金相測定》的要求用 OLYMPUSBX51RF型光學顯 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型光學顯微鏡進行η相、γ相、α相的測定; 采用 Quanta650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 Rockwell574 型洛氏硬度計上,按照 GB/T3849—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/T12616—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 ≤0.4μm,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/T3851—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≤0.8μm,砧座跨距為30mm,在ZBC8501- C(15,25J)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ISO28080:2021—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50mm×25 mm×8mm,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125μm,試樣表 面粗糙度Ra≤0.8μm,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 試驗結果與分析
YG8T 和 YG18T 兩種合金的力學性能如表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8.96J/cm 2,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,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,并且由于 YG8T 合金的晶粒度 大些,鈷元素含量低些,所以磁力相應小些。
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,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 圖2 YG18T合金的微觀形貌 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。
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黏結相 中擴散和溶解,對 Co黏結相起到了強化作用,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。
兩種合金的磨損試驗結果如表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關 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 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。
4 結論
(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 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。
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