鈷含量對(duì)粗晶硬質(zhì)合金磨損性能的影響

曹瑞軍，林晨光，馬旭東，謝興鋮，林中坤

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鈷含量對(duì)粗晶硬質(zhì)合金磨損性能的影響

曹瑞軍，林晨光，馬旭東，謝興鋮，林中坤

(北京有色金屬研究總院粉末冶金與特種材料研究所，北京100088)

粗晶WC-Co硬質(zhì)合金作為新型礦用工具材料，在不同工況條件下的耐磨性能與失效行為對(duì)其工業(yè)應(yīng)用具有重要影響。本研究以SiC顆粒為磨料，采用MLD-10型動(dòng)載磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)，研究鈷含量對(duì)WC晶粒度為5 μm的粗晶硬質(zhì)合金沖擊磨粒磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%～14%范圍內(nèi)增加時(shí)，硬質(zhì)合金的磨損系數(shù)K均呈線性增加，耐沖擊磨粒磨損性能則呈線性降低。粗晶硬質(zhì)合金的耐沖擊磨粒磨損機(jī)制為：表面層的鈷粘結(jié)相先被SiC顆粒磨損，然后合金的耐磨性主要取決于凸出WC顆粒的失效行為。因此，硬質(zhì)合金的磨損系數(shù)K與WC硬質(zhì)相的體積含量呈正比。

沖擊磨粒磨損；鈷相含量；硬度

礦用硬質(zhì)合金工作時(shí)要承受沖擊載荷、磨粒磨損、熱疲勞等復(fù)雜苛刻的工況條件，從而使WC-Co硬質(zhì)合金磨損與失效機(jī)理變得十分復(fù)雜[1]。關(guān)于硬質(zhì)合金的耐磨性研究較多，鈷含量、WC晶粒度等硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)和硬度與硬質(zhì)合金耐磨性的關(guān)系被廣泛研究[2?9]。研究結(jié)果顯示：鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%的硬質(zhì)合金，其WC的粒度越細(xì)硬質(zhì)合金越耐磨[2?4]；WC相的含量增加，硬質(zhì)合金耐磨性增強(qiáng)[7?9]。迄今，硬質(zhì)合金耐磨性的研究多集中于亞微米至中粒度硬質(zhì)合金，關(guān)于粗晶及超粗晶硬質(zhì)合金耐磨性的研究較少,且一般采用濕砂橡膠輪法(ASTM G65)[7]、鋼輪磨損法[3]、銷盤法[9]等試驗(yàn)方法研究硬質(zhì)合金的磨粒磨損行為，此類方法在試驗(yàn)時(shí)缺少?zèng)_擊載荷的作用，而礦用硬質(zhì)合金使用時(shí)一般都需要承受相當(dāng)大的沖擊力。

近年來，礦用硬質(zhì)合金采用粗晶甚至超粗晶WC-Co硬質(zhì)合金成為重要發(fā)展趨勢(shì)之一[10?11]。本研究利用沖擊磨粒磨損試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)分析等手段，研究WC晶粒度約為5 μm、鈷含量在6%~14%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粗晶硬質(zhì)合金在沖擊載荷作用下的磨粒磨損與失效行為，以揭示粗晶硬質(zhì)合金在沖擊載荷作用下的磨粒磨損機(jī)制，研究鈷含量對(duì)粗晶硬質(zhì)合金沖擊磨粒磨損性能的影響，以期為新型礦用硬質(zhì)合金的生產(chǎn)與應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及力學(xué)性能

采用費(fèi)氏粒度20 μm的WC粉末和Co粉末經(jīng)過濕磨、壓制、液相燒結(jié)等工藝制備鈷含量分別為6%、8%、10%、12%和14%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粗晶硬質(zhì)合金試樣。硬質(zhì)合金試樣的尺寸為10 mm×10 mm×50 mm。試樣的力學(xué)性能如表1所列。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-7001F)觀察硬質(zhì)合金的微觀形貌。圖1所示為YG14硬質(zhì)合金的微觀形貌。在不同視場(chǎng)的SEM照片上，采用截線法測(cè)量WC硬質(zhì)相的平均晶粒度。為保證測(cè)量的精度，每個(gè)樣品至少測(cè)試200個(gè)WC顆粒。

表1 硬質(zhì)合金試樣的力學(xué)性能

圖1 YG14粗晶硬質(zhì)合金的形貌

采用VTD552維氏硬度計(jì)測(cè)量硬質(zhì)合金的維氏硬度，每個(gè)樣品測(cè)量3個(gè)測(cè)試點(diǎn)并求其平均值。

1.2 試驗(yàn)條件及方法

沖擊磨粒磨損試驗(yàn)在MLD-10動(dòng)載磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)為：沖錘質(zhì)量10 kg，下主軸轉(zhuǎn)速200 r/min，沖擊頻率100 r/min。實(shí)驗(yàn)中，上試樣隨重錘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，下試樣轉(zhuǎn)動(dòng)，下試樣的直徑為50 mm，實(shí)驗(yàn)中沖擊功為2.5 J，沖擊用磨料為20~40目的SiC，磨料的體視形貌如圖2所示。為了便于對(duì)沖擊表面形貌進(jìn)行觀察并排除表面粗糙度對(duì)初始階段磨損速率的影響，硬質(zhì)合金試樣的沖擊面經(jīng)2.5 μm的金剛石研磨膏拋光。沖擊磨損試驗(yàn)前試樣在超聲波清洗儀中用丙酮清洗，經(jīng)真空干燥箱120 ℃真空干燥 30 min后稱重，而后裝在沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)上。在2.5 J的沖擊功和相同的磨料流速下，對(duì)試樣進(jìn)行連續(xù)的沖擊磨損，每次實(shí)驗(yàn)后在超聲波清洗儀中用丙酮清洗試樣，真空干燥后在精確度為0.1 mg的分析天平上稱重，計(jì)算磨損重量。根據(jù)磨損重量和密度計(jì)算硬質(zhì)合金的磨損體積。每間隔30 min稱一次質(zhì)量損失，每個(gè)樣品的沖擊磨損總時(shí)間為3 h。磨損后用JSM-7001F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察沖擊磨損后的表面形貌并對(duì)磨損機(jī)理進(jìn)行分析。

圖2 SiC磨料體視形貌圖

2 結(jié)果及分析

2.1 硬質(zhì)合金的沖擊磨粒磨損性能

材料的磨損體積與相對(duì)滑動(dòng)距離之間的關(guān)系規(guī)律被廣泛的研究[12?13]。為了比較不同材料的耐磨性能，一般采用Landcaster公式，其關(guān)系式為：

=K(1)

其中：為磨損體積(mm3)，K為磨損系數(shù)(mm3/(N?m)，為滑動(dòng)距離(m)，為正向壓力(N)。

圖3所示為硬質(zhì)合金磨損體積與滑動(dòng)距離的關(guān)系，圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)為實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，直線由采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)擬合獲得。從圖中可以看出硬質(zhì)合金的磨損體積隨滑動(dòng)距離增加呈線性增加，體積磨損規(guī)律符合Archard公式，這表明磨損進(jìn)行過程中粗晶硬質(zhì)合金的沖擊磨粒磨損機(jī)制沒有發(fā)生變化。表2所列為硬質(zhì)合金樣品的磨損系數(shù)K，其為通過將圖3中直線的斜率除以載荷(98 N)獲得。圖4所示為磨損系數(shù)K與鈷粘結(jié)相含量之間的關(guān)系，鈷含量在6%~14%的范圍內(nèi)，硬質(zhì)合金的磨損系數(shù)K隨鈷含量增加而增大。對(duì)于WC晶粒度在5 μm左右的粗晶硬質(zhì)合金，隨鈷含量增加合金耐沖擊磨粒磨損性能變差。

2.2 合金的沖擊磨損表面形貌

硬質(zhì)合金磨料磨損的表面，一般存在以下磨損機(jī)制：塑性犁溝的形成，粘結(jié)相的擠出與移除，WC顆粒的變形、斷裂與破碎，硬質(zhì)合金裂紋的形成以及破碎[14?15]。圖5所示為YG10和YG14硬質(zhì)合金試樣沖擊磨粒磨損表面的SEM照片，由圖可看出，鈷粘結(jié)相被磨損掉，形成溝槽；粗晶WC浮突在硬質(zhì)合金表面，有的WC顆粒邊角發(fā)生破碎，也存在WC顆粒的整體破裂，一些破碎的細(xì)小WC碎片粘附在硬質(zhì)合金的表面；沒有發(fā)現(xiàn)WC顆粒整體脫落現(xiàn)象，說明在試驗(yàn)的條件下WC顆粒難以脫離Co粘結(jié)相的牢固把持。沖擊磨料磨損試驗(yàn)造成的硬質(zhì)合金磨損過程是Co粘結(jié)相先被棱角尖銳的SiC堅(jiān)硬顆粒磨損移除，而后由WC顆粒形成的骨架抵抗SiC顆粒的沖擊磨損。

圖3 硬質(zhì)合金磨損體積與滑動(dòng)距離的關(guān)系圖

圖4 磨損系數(shù)K與粘結(jié)相鈷含量之間的關(guān)系

表2 硬質(zhì)合金的磨損系數(shù)K

圖5 YG10和YG14硬質(zhì)合金試樣沖擊磨損表面SEM照片

3 分析討論

礦用硬質(zhì)合金的鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在6%~14%，本試驗(yàn)研究鈷含量在此范圍的變化對(duì)WC晶粒度約為 5 μm的礦用硬質(zhì)合金沖擊磨粒磨損性能的影響。當(dāng)WC顆粒的晶粒度尺寸基本不變時(shí)，隨鈷粘結(jié)相增加，硬質(zhì)合金的硬度線性降低(如圖6所示)。圖7顯示磨損系數(shù)K與硬度HV10之間呈反比關(guān)系, 材料的硬度越高，耐磨性越好。通常硬度是硬質(zhì)合金材料的重要力學(xué)性能，被用來表征材料抵抗塑性變形的能力，也常被用來作為指示材料耐磨性的指標(biāo)。

圖6 硬質(zhì)合金硬度與鈷含量間的關(guān)系圖

圖7 磨損系數(shù)K與硬度HV10之間的關(guān)系

對(duì)于硬質(zhì)合金，若各相的磨損速率相等且各相自身的耐磨性恒定，則隨粘結(jié)相增多，硬質(zhì)合金的磨損系數(shù)K線性降低[6]。若各相的磨損速率不相等，則磨損系數(shù)K與粘結(jié)相含量間的關(guān)系應(yīng)為曲線。通過沖擊磨損表面形貌可以看出，鈷的磨損速率遠(yuǎn)高于WC顆粒，即WC硬質(zhì)相與Co粘結(jié)相的磨損速率不同，磨損系數(shù)K與粘結(jié)相含量間的關(guān)系應(yīng)為曲線。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻表明了粗晶硬質(zhì)合金的耐磨性與鈷粘結(jié)相的含量呈線性關(guān)系。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是：本實(shí)驗(yàn)采用的是SiC磨粒，其室溫硬度HV0.5為2 500[16]，該硬度遠(yuǎn)高于Co粘結(jié)相的硬度但低于WC硬質(zhì)相的硬度；沖擊磨粒磨損時(shí)，接觸表面粗晶WC之間的大尺寸Co粘結(jié)相易于被棱角尖銳的SiC堅(jiān)硬顆粒磨損移除，導(dǎo)致鈷相的磨損速率遠(yuǎn)高于硬質(zhì)相的磨損速率；但Co粘結(jié)相被磨損后，硬質(zhì)合金的耐磨性主要由浮突出表面的WC顆粒骨架承擔(dān)；亞表面Co粘結(jié)相的主要作用是牢固把持粗WC顆粒形成的骨架，不使產(chǎn)生WC顆粒的早期剝落，而主要以粗WC顆粒的破裂脫落而失效；因此表現(xiàn)為硬質(zhì)合金的磨損系數(shù)K與WC硬質(zhì)相的體積含量呈正比。提高粗晶WC顆粒的抗沖擊破碎性可能是提高粗晶硬質(zhì)合金耐沖擊磨粒磨損性能的有效途徑之一。

4 結(jié)論

1) 對(duì)于WC晶粒度5 μm左右的粗晶硬質(zhì)合金，鈷含量從6%增加到14%，硬質(zhì)合金的磨損系數(shù)K從1.05×10?6mm3/(N?m)線性增加到6.09×10?6mm3/ (N?m)，硬質(zhì)合金的耐沖擊磨粒磨損性能線性變差。

2) 粗晶硬質(zhì)合金的耐沖擊磨料磨損機(jī)制是：接觸表面粗晶WC間的鈷粘結(jié)相，先期被棱角尖銳的SiC磨料磨損移除；然后硬質(zhì)合金的耐磨性主要由表面的WC顆粒骨架承擔(dān)；亞表面Co粘結(jié)相主要起牢固地把持WC顆粒骨架、不讓產(chǎn)生WC顆粒的早期剝落，代之主要以粗WC顆粒破裂脫落而失效的作用；因而硬質(zhì)合金的磨損系數(shù)K與WC硬質(zhì)相的體積含量呈 正比。

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(編輯 高海燕)

Effect of cobalt content on wear behavior of coarse-grained hardmetals

CAO Rui-jun, LIN Chen-guang, MA Xu-dong, XIE Xing-cheng, LIN Zhong-kun

(Powder Metallurgy and Special Materials Department, General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088)

Coarse-grained WC-Co cemented carbides are used as a new type materials of mining tool and its wear property need to be understood. The effect of cobalt content on wear behavior of coarse grain cemented carbides, whose WC grain size was around 5μm, was investigated by MLD-10-type dynamic load abrasive wear testing machine. The testing results show that with the cobalt mass fraction increasing from 6% to 14%, the wear coefficient K of coarse grain cemented carbides increases linearly and the wear resistance decreases linearly. The impact-abrasion mechanism of coarse grain cemented carbides is that the surface cobalt binder is abrased by SiC abrasives and then the wear resistance of hardmetal mainly undertaken by prominent WC grains, so the wear coefficient K of cemented carbides is directly proportional to the volume fraction of the WC hard phase.

impact abrasive wearing; cobalt content; hardness

TF124.3

A

1673-0224(2015)6-860-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51101021)

2014-10-31；

2015-04-27

林晨光，教授級(jí)高工，博士。電話：010-82241202；E-mail: pm@grinm.com