論七面體球磨介質(zhì)的球磨效率及對合金組織性能的影響

鐘志強， 鄭海華， 歐陽水林， 陳瀚

（澳克泰工具技術(shù)有限公司，江西 贛州341000）

球磨機的應用領(lǐng)域涉及到各行業(yè)，包括粉末冶金、化工、水泥、建筑、醫(yī)藥以及國防工業(yè)等部門，其中在粉末冶金工業(yè)中的球磨工藝中應用尤為廣泛[1].球磨機的球磨過程，主要是靠球磨機內(nèi)介質(zhì)與物料間相互作用來實現(xiàn)[2].而混合料的研磨效率與球磨機轉(zhuǎn)速、研磨體數(shù)量、形狀、尺寸、球料比、固液比等有關(guān)[3].本文旨在研究新型七面體球磨介質(zhì)對球磨效率及合金組織性能的影響.一般過去球磨介質(zhì)為圓球形，它的優(yōu)點是易滾動，效率高，磨損均勻，制造容易；而sandvik及我國株洲鉆石切削刀具有限公司都采用圓柱體狀研磨介質(zhì)[4]；為了進一步縮短生產(chǎn)周期，提高研磨效率，研究設計了一種新型七面體球磨介質(zhì).本文通過使用不同的球磨介質(zhì)在相同條件下制備中顆粒WC-10%Co混合料，分析其球磨效率和球磨方式，并通過經(jīng)壓制燒結(jié)后的合金性能來闡述不同的球磨介質(zhì)的研磨效率及對合金組織性能的影響.

1 實驗方法

1.1 實驗方案

本實驗所用的球磨介質(zhì)成分為YG10研磨棒，球形研磨球尺寸參數(shù)為φ7；七面體研磨棒參數(shù)為：φ7.

此次試驗所用的原材料WC為公司自產(chǎn)原料，Co粉和Ta（Nb）C為市面所購.于小型懸臂式球磨機中進行濕磨.第1組添加1 kgWC，濕磨后經(jīng)真空干燥后用0.212 mm篩網(wǎng)進行過篩，對其進行粒度分析和掃描電鏡分析，并研究其球磨方式；第2組設計總碳為5.47%，添加2.0%石蠟，各項成分見表1，濕磨后經(jīng)真空干燥后用0.212 mm篩網(wǎng)進行過篩，壓制成20 mm×6.5 mm×5.25 mm試樣條，每組15個，放于燒結(jié)爐的同一位置進行燒結(jié)，檢測其各項性能.

球磨工藝參數(shù)：球料比6∶1，球磨時間48 h，轉(zhuǎn)速63 r/min，酒精375 mL，研磨棒6 kg.

表1 中顆粒WC-10%Co原料粉末的組成

1.2 檢測方法

用激光粒度分布儀去測定其粒度組成，用德國蔡司-電子掃描電鏡觀察其組織形貌，用全自動磁飽和強度測量儀測量其鈷磁，用矯頑磁力測量儀測量其矯頑磁力，用依工-顯微硬度儀測量其硬度.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同球磨介質(zhì)的球磨效率結(jié)果與分析

2種球磨介質(zhì)球磨后的WC粉末經(jīng)干燥，用激光粒度分布儀去測其粒度分布，結(jié)果如圖1、圖2所示.

圖1 七面體研磨介質(zhì)制備粉末激光粒度分析結(jié)果

圖2 球形球磨介質(zhì)制備粉末激光粒度分析結(jié)果

根據(jù)圖1、圖2激光粒度分布結(jié)果可以看出，七面體球磨介質(zhì)制備的粉末50%粒度低于0.93 μm，90%粒度低于1.453 μm；而用球形球磨介質(zhì)制備的粉末50%粒度低于1.240 μm，90%的粉末粒度低于1.785 μm，且2種球磨介質(zhì)制備的粉末的均勻性相近.對粉末進行取樣掃描電鏡分析，結(jié)果如圖3.

圖3 WC經(jīng)不同球磨介質(zhì)球磨后SEM照片

對比圖3中2種球磨介質(zhì)制備的粉末掃描電鏡結(jié)果可知，用球形球磨介質(zhì)制備的粉末粒子的分散性較好，顆粒之間很少發(fā)生團聚，而用七面體球磨介質(zhì)制備的WC粉末出現(xiàn)較多的細粉，且這些細粉黏附在大顆粒WC表面或者團聚在一起.這類粉末具有較高的晶格畸變能，活性也較高[5].分析球磨介質(zhì)在球磨機中的相互作用方式，結(jié)果如圖4.

圖4 2種球磨介質(zhì)在球磨過程中的相互作用方式

根據(jù)圖4可以看出，由于七面體球磨介質(zhì)存在棱角，在球磨過程中，除了大量的面接觸外，還存在一些點與面的接觸，這種沖擊式的接觸是給粉末大量活性的主要原因，分析認為，由于七面體球磨介質(zhì)在球磨過程中除了面接觸球磨方式外，還存在點與面間的接觸，這種沖擊方式使粉末顆粒中晶粒存在許多結(jié)晶缺陷，如空隙、畸變、夾雜等.同時，由于比表面積的增大，表面就蘊藏高的表面能，對氣體、液體或微粒表現(xiàn)出了極強的吸附能力[6]；而球形球磨介質(zhì)的接觸方式表面為點接觸，由于球形易滾動，所以這樣不容易給粉末帶來過多的活性，因此粉末的分散性也更好.

2.2 不同球磨介質(zhì)對合金組織性能的影響

表2為2種球磨介質(zhì)經(jīng)濕磨-壓制-燒結(jié)后的4項檢測平均值，其中編號A為七面體球磨介質(zhì)，編號B為球形球磨介質(zhì).

表2 兩種球磨介質(zhì)球磨后合金的性能檢測結(jié)果

由表2可以看出，經(jīng)七面體球磨介質(zhì)制備的混合料經(jīng)燒結(jié)后，矯頑磁力和硬度均高于球形球磨介質(zhì)球磨后的合金，在合金鈷含量一定情況下，硬質(zhì)相粒度越細，黏結(jié)相的平均自由程度越小，合金的矯頑磁力就越大[7-8]，因此可以說明七面體的合金粒度更為細??；然而用七面體球磨介質(zhì)制備的混合料的鈷磁明顯低于球形球磨介質(zhì)，分析認為是七面體球磨介質(zhì)生產(chǎn)的粉末吸附了更多的氧，以致在燒結(jié)過程中帶走了C元素所致；WC-Co硬質(zhì)合金的硬度與合金中WC的晶粒度與硬度、黏結(jié)相的含量與硬度等微觀組織結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)有關(guān)[9-10]，而合金的鈷含量為一定，因此說明七面體球磨介質(zhì)制備的混合料經(jīng)相同燒結(jié)工藝后晶粒度要小于用球形球磨介質(zhì)制備的合金.2種不同的球磨介質(zhì)球磨的料的鈷磁分布如圖5所示.

圖5 不同球磨介質(zhì)對合金鈷磁波動的影響

圖5顯示，七面體球磨介質(zhì)制備的混合料經(jīng)燒結(jié)后合金的鈷磁波動較七面體的大，但也處于合理范圍之內(nèi).分析認為由于七面體球磨介質(zhì)在球磨過程中產(chǎn)生了更多的具備較高活性的細粉，具備更大的表面能，化學活潑性也隨之增大，使粉末在球磨及存放過程中增氧的趨勢加大[11]，從而導致合金的鈷磁波動相對較大，且經(jīng)燒結(jié)后合金的鈷磁也較球形球磨介質(zhì)生產(chǎn)的合金鈷磁低，在生產(chǎn)中增加了0.2%的石蠟便可較好的包覆粉末，阻止粉末氧化.

此外，粉末體在液相中的溶解度和溶解速度都比致密態(tài)時大，而且粉末愈細，差別愈大.這就是合金在燒結(jié)過程中碳化鎢晶粒因溶解析出而長大的動力[10，12].

對合金進行金相分析，觀察合金的晶粒度大小及分布情況，結(jié)果見表3.

結(jié)合表3和圖6可以看出，經(jīng)不同球磨介質(zhì)球磨后的組織WC晶粒處于同一級別，沒有WC聚集長大現(xiàn)象，而晶體形態(tài)不但受內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對稱性、結(jié)構(gòu)組元間鍵力和晶體缺陷等因素的制約，對于硬質(zhì)合金而言，合金中WC形貌主要取決與WC固相顆粒與液態(tài)黏結(jié)相之間的界面能[13-14].在燒結(jié)過程中Ta（Nb）C吸附在碳化物顆粒的表面，降低了WC的表面能，從而降低了WC在液相中的溶解度[15]，使合金晶粒更細小、均勻.因此，結(jié)合前面的四項檢測結(jié)果，根據(jù)七面體球磨介質(zhì)球磨效率高但易產(chǎn)生細粉的特點，設計使用七面體球磨介質(zhì)制備原材料費氏粒度大于5.0 μm的混合料，這樣可以縮短生產(chǎn)周期；根據(jù)球形球磨介質(zhì)易滾動、分布分散的特點使用球形球磨介質(zhì)制備原材料費氏粒度為0.8～5.0 μm的混合料.

表3 不同球磨介質(zhì)生產(chǎn)的合金金相檢測結(jié)果

圖6 合金經(jīng)燒結(jié)后的組織金相圖

3 結(jié) 論

1）與傳統(tǒng)的球形球磨介質(zhì)的點接觸球磨方式相比，七面體球磨介質(zhì)的面接觸的球磨方式能提高混合料的球磨效率，但是七面體球磨介質(zhì)在球磨過程中存在一些點與面的接觸，以致制備的粉末活性更高.

2）用七面體球磨介質(zhì)制備的粉末由于具備更高的活性，具備更大的表面能，化學活潑性也隨之增大，使粉末在球磨及存放過程中增氧的趨勢加大，從而導致合金的鈷磁波動相對較大.

3）七面體球磨介質(zhì)適合用于制備原材料費氏粒度大于5.0 μm的混合料，球形球磨介質(zhì)適合用于制備原材料費氏粒度為0.8～5.0 μm的混合料.

[1]夏恩品.球磨機介質(zhì)運動數(shù)值分析及介質(zhì)直徑實驗研究[D].昆明：昆明理工大學，2010.

[2]選礦手冊編輯委員會.選礦手冊：第2卷第2分冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

[3]賈佐誠，陳飛雄，吳誠.硬質(zhì)合金新進展[J].粉末冶金工業(yè)，2010，20（3）：52-57.

[4]儲開宇.我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況與展望[J].稀有金屬與硬質(zhì)合，2011,39（1）：52-56.

[5]陳文革，王發(fā)展.粉末冶金工藝及材料[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2011：16-86.

[6]黃培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000：123-124.

[7]李亞軍.燒結(jié)工藝對超細WC-6%Co-0.6%（VC/Cr3C2/TaC）硬質(zhì)合金性能的影響[J].硬質(zhì)合金，2012（2）：27.

[8]杜偉，聶洪波，吳沖滸.燒結(jié)工藝對低Co超細晶硬質(zhì)合金性能的影響[J].粉末冶金材料科學與工程,2010,15（6）：650-655.

[9]張立，陳述，熊湘君，等.雙相結(jié)構(gòu)功能梯度WC-Co合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與小負荷維氏硬度[J].中國有色金屬學報，2005，15（8）：1194-1199.

[10]Shan G Q，Duan X L，Xie J R，et al.Sintering of nanocrystalline WC-Co composite powder[J].Reviews on Advanced Materials Science，2003，5（4）：281-286.

[11]Kruth J P，Mercelis P，Van Vaerenbergh J，et al.Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting[J]. Rapid Prototyping Journal，2005，11（1）：22-38.

[12]Xiao D H，He Y H，Song M，et al.Y2O3and NbC doped ultrafine WC-10%Co alloys by low pressure sintering[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2010，28（3）：407-411.

[13]Zhang L，Chen S，Wang Y J，et al.Tungsten carbide plateletcontaining cemented carbide with yttrium containing dispersed phase[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18（1）：104-108.

[14]Christensen M，Wahnstrom G，Lay S.Morphology of WC grains in WC-Coalloys：Theoretical determination of grain shape[J]. Acta Materialia，2007，55：1515-1521.

[15]姜愛民，江顯全.晶粒長大抑制劑在硬質(zhì)合金中的應用概況[J].硬質(zhì)合金，2010，27（4）：4-5.