相同硬度的高鈷和低鈷含量硬質(zhì)合金性能比較

鄧四文

(成都電焊機(jī)研究所, 成都 610051)

硬質(zhì)合金是由高熔點(diǎn)的金屬化合物和金屬黏結(jié)劑經(jīng)粉末冶金方法制成的，具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，并且還具有一定的韌性。硬質(zhì)合金被廣泛應(yīng)用于切削工具、采礦設(shè)備以及金屬密封等領(lǐng)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(qiáng)等特點(diǎn)[2]。低鈷粗顆粒和高鈷細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有高耐磨性與強(qiáng)韌性[3]?？椎路降萚4]在原料粉末粒度為0.8 μm，鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的碳化鎢(WC)細(xì)晶硬質(zhì)合金中加入不同量的4 μm～11 μm粒度的WC粉末，考察細(xì)晶硬質(zhì)合金中粗晶粒的含量和粗晶尺寸對(duì)細(xì)晶硬質(zhì)合金性能的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)晶硬質(zhì)合金中粗晶WC粒度小于10 μm，粗晶體積分?jǐn)?shù)小于0.29%，合金的綜合性能可達(dá)到未含粗晶WC合金的性能。郭圣達(dá)等[5]對(duì)不同鈷含量的粗晶硬質(zhì)合金生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)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(qiáng)度和硬度越高。閆明遠(yuǎn)[6]等在細(xì)顆粒WC中逐漸增加粗顆粒WC含量，以找到粗細(xì)顆粒搭配量對(duì)合金性能的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的WC硬質(zhì)合金，當(dāng)粗顆粒WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，合金的綜合力學(xué)性能最佳。在實(shí)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(xì)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(xì)顆粒硬質(zhì)合金的性能，并評(píng)估其耐磨性和抗折斷能力，采用金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)等方法對(duì)這兩種硬質(zhì)合金的選用原則進(jìn)行了分析。

1 材料的配制

制作了含鈷的質(zhì)量分?jǐn)?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(1 300±50) HV。

YG8T中WC粉(WC-1)的費(fèi)氏粒度為2.8 μm，YG18T中WC粉(WC-2)的費(fèi)氏粒度為1.6 μm；兩者采用的鈷粉費(fèi)氏粒度均為1.11 μm。由于YG18T的粉料太細(xì)，需增加晶粒長(zhǎng)大抑制劑碳化鉭(TaC)，其費(fèi)氏粒度為1.45 μm。粉料的化學(xué)成分如表1所示[7-9]。

表1 粉料的化學(xué)成分 %

采用小罐球磨筒進(jìn)行配料，以鈷為黏結(jié)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?jǐn)?shù)控制為6.11%和6.08%，所以YG18T的配料中需加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的鎢粉。每罐加0.27 L酒精，0.025 kg石臘，0.17 g油酸(0.2 mL)，料球比為1…1，裝填系數(shù)為0.5，球磨時(shí)間為48 h，YG8T和YG18T的混合配料成分如表2所示。

表2 YG8T和YG18T的混合配料成分 %

混合料經(jīng)過(guò)濾、烘干、擦篩、制粒等工序形成可壓制料，在DORST型雙向壓機(jī)上按制好的模具壓制試樣，壓力為150 MPa～200 MPa，制備10個(gè)橫向斷裂強(qiáng)度試樣用于檢測(cè)橫向斷裂強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度)，10個(gè)沖擊韌性試樣用于檢測(cè)沖擊韌性，4個(gè)方形試塊用于金相檢驗(yàn)以及硬度、密度、粒度等測(cè)試，6個(gè)磨損試樣用于檢測(cè)材料的耐磨性。將壓制好的料各配在兩爐中燒結(jié)，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(jié)，燒結(jié)溫度分別為1 480 ℃和1 410 ℃，加壓壓力為5 MPa。

2 試驗(yàn)方法

將燒結(jié)出來(lái)的試樣在DY618S型平面磨床和120#金剛石砂輪上進(jìn)行粗磨，再用消磁器進(jìn)行消磁。將方形試塊用酒精進(jìn)行清洗、吹干后，采用BSA-224S-DS1型密度儀。按照GB/T 3850—2015《致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金密度測(cè)定方法》的規(guī)定測(cè)試試樣的密度；采用YSK-IV型矯頑磁力計(jì)，按照GB/T 3848—2017 《硬質(zhì)合金 矯頑(磁)力測(cè)定方法》測(cè)試試樣的矯頑力；采用MCoMT-Ⅱ型鈷磁測(cè)量?jī)x，按照GB/T 23369—2009 《硬質(zhì)合金磁飽和(MS)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》 測(cè)量試樣中鈷的含量。

將方形試樣用DK7735型線切割機(jī)切成尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為20 mm×20 mm×15 mm的小方塊，在CAST N Vac1000型真空鑲嵌機(jī)上采用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌；用EcoMet300/AutoMet300型金相拋磨機(jī)進(jìn)行粗磨、精磨、研磨和拋光；用消磁器進(jìn)行消磁；將試樣浸泡在乙醇中，在SK8200HP型超聲波清洗器中進(jìn)行清洗。經(jīng)吹干后，按照GB/T 3489—2015 《硬質(zhì)合金 孔隙度和非化合碳的金相測(cè)定》的要求用OLYMPUS BX51RF型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行孔隙度和非化合碳的測(cè)定。采用體積分?jǐn)?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(duì)試樣拋光面按時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)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(cè)定 第1部分：金相照片和描述》的規(guī)定用OLYMPUS BX51RF型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行η相、γ相、α相的測(cè)定；采用Quanta 650型掃描電鏡(SEM)對(duì)試樣進(jìn)行分析，按照GB/T 3488.2—2018 《硬質(zhì)合金 顯微組織的金相測(cè)定 第2部分：WC晶粒尺寸的測(cè)量》的規(guī)定測(cè)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Rockwell 574型洛氏硬度計(jì)上，按照GB/T 3849—1983 《硬質(zhì)合金洛氏硬度(A標(biāo)尺)試驗(yàn)方法》測(cè)量試樣的洛氏硬度，再在 THVS-30型數(shù)顯維氏硬度計(jì)上，按照J(rèn)B/T 12616—2016 《硬質(zhì)合金刀具基體材料斷裂韌性檢測(cè)方法》的規(guī)定測(cè)試斷裂韌性。

橫向斷裂強(qiáng)度試樣精磨后的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為(20±1)mm×(6.5±0.25)mm×(5.25±0.25)mm，表面粗糙度Ra≤0.4 μm，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(qiáng)度專(zhuān)用試驗(yàn)機(jī)上，按照GB/T 3851—1983《硬質(zhì)合金橫向斷裂強(qiáng)度測(cè)定方法》的規(guī)定測(cè)試試樣的橫向斷裂強(qiáng)度。

沖擊試樣精磨后的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為(50±1)mm×(5.0±0.3) mm×(5.0±0.3) mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm，砧座跨距為30 mm，在ZBC8501-C(15，25 J)型懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)上，按照GB/T 1817—1995 《硬質(zhì)合金常溫沖擊韌性試驗(yàn)方法》測(cè)量試樣的沖擊韌性。

按照ISO 28080：2021—2021 《硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金的磨損試驗(yàn)》的要求進(jìn)行試樣的磨損試驗(yàn)。磨損試樣的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為50 mm×25 mm×8 mm，對(duì)試樣進(jìn)行粗磨后，采用標(biāo)樂(lè)牌金相拋磨機(jī)進(jìn)行精磨，試樣表面平面度不大于125 μm，試樣表面粗糙度Ra≤0.8 μm，將磨損試樣嵌入干砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)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(wú)棱角，且SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?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(chēng)取質(zhì)量，并計(jì)算前后質(zhì)量差，即為該試樣的磨損值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

YG8T和 YG18T兩種合金的力學(xué)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(xì)顆粒；YG8T的沖擊韌性達(dá)到了8.96 J/cm2,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(lèi)孔隙級(jí)別為A02，無(wú)B類(lèi)孔隙，合金的致密度高，這是由于采用了低壓燒結(jié)，YG8T合金的密度達(dá)到理論密度的99.75%，YG18T的密度達(dá)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(guān)，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(yīng)小些。

表3 兩種合金的力學(xué)性能

圖1 YG8T合金的微觀形貌

圖2 YG18T合金的微觀形貌

鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金的橫向斷裂強(qiáng)度和沖擊韌性與合金的晶粒度及孔隙率正相關(guān)，WC的晶粒越細(xì)，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(qiáng)度和沖擊韌性增大。這兩種材料性能差別最大的是橫向斷裂強(qiáng)度和沖擊韌性。由于在檢測(cè)材料的橫向斷裂強(qiáng)度和沖擊韌性時(shí)，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(xì)顆粒的YG18T合金中WC晶粒較細(xì)，試樣條的斷裂表現(xiàn)為沿晶斷裂，所以亞細(xì)顆粒的YG18T具有比中顆粒的YG8T更高的橫向斷裂強(qiáng)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。

圖3 YG8T合金的穿晶斷裂微觀形貌

圖4 YG18T合金的沿晶斷裂微觀形貌

從橫向斷裂強(qiáng)度和沖擊韌性這兩項(xiàng)指標(biāo)看，YG8T的橫向斷裂強(qiáng)度比YG18T的橫向斷裂強(qiáng)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(shí)，并不要求將合金進(jìn)行強(qiáng)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(xiàng)指標(biāo)進(jìn)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(cè)結(jié)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(jí)的。這是由于中顆粒YG8T的WC晶粒比YG18T的WC晶粒粗，當(dāng)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(qiáng)化作用,TaC顆粒在Co黏結(jié)相中擴(kuò)散和溶解，對(duì)Co黏結(jié)相起到了強(qiáng)化作用，當(dāng)尖銳金剛石壓頭使其產(chǎn)生初始裂紋后，裂紋將會(huì)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(duì)合金起到增韌作用，所以雖然YG18T合金與高鈷類(lèi)合金相比有更高的硬度，但其斷裂韌性卻并沒(méi)有降低。

表4 兩種合金的斷裂韌性檢測(cè)結(jié)果

兩種合金的磨損試驗(yàn)結(jié)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(jí)，YG8T的耐磨性比YG18T稍高，這是因?yàn)閅G8T的硬度比YG18T稍高，對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系。從磨損機(jī)理上看，中顆粒的YG8T主要表現(xiàn)為WC顆粒的塑性變形導(dǎo)致材料的去除；而亞細(xì)顆粒的YG18T主要表現(xiàn)為鈷相的去除導(dǎo)致WC的脫落[12]?？傊嗤捕鹊牡外挻诸w粒合金與高鈷細(xì)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(jié)的性能穩(wěn)定性看，低鈷粗顆粒合金比高鈷細(xì)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(xì)顆粒合金，高鈷細(xì)顆粒具有稍好的抗折斷能力。

表5 兩種合金的磨損試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 相同硬度的低鈷粗顆粒與高鈷細(xì)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(jié)性能穩(wěn)定性；為了保證晶粒不長(zhǎng)大，高鈷細(xì)顆粒合金在燒結(jié)時(shí)需加入抑制劑。

(2) 相同硬度的低鈷粗顆粒與高鈷細(xì)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(xì)顆粒硬質(zhì)合金相比，低鈷粗顆粒合金具有更低的抗彎強(qiáng)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(xì)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(xì)顆粒硬質(zhì)合金，高鈷細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有稍好的抗折斷能力。