摘 要:為了确定某些礦用硬質合金的選用原則,分析了具有相同硬度、不同高钴和低钴含量硬 質合金的性能差異,制作了硬度約為89.5HRA 的 YG8T 低钴粗顆粒和 YG18T 高钴細顆粒硬質 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:相同硬度的低钴粗顆粒硬質合金的耐磨性更好,高钴細顆粒硬質合金具 有更好的抗折斷能力。

關鍵詞:硬質合金;低钴粗顆粒;高钴細顆粒;耐磨性;斷裂韌性

中圖分類号:TH87;TG115.5 文獻标志碼:A 文章編号:1001-4012(2022)06-0021-05

硬質合金是由高熔點的金屬化合物和金屬黏結 劑經粉末冶金方法制成的,具有硬度高、耐磨性好、 化學穩定性好、熱穩定性好等特點,并且還具有一定 的韌性。硬質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]。通常要求硬質合金具有 承載能力好、耐磨性好、抗沖擊能力強等特點[2]。低 钴粗顆粒和高钴細顆粒硬質合金具有高耐磨性與強 韌性[3]。孔德方等[4]在原料粉末粒度為0.8μm,钴 的質量分數為10%的碳化鎢(WC)細晶硬質合金中 加入不同量的4μm~11μm 粒度的 WC粉末,考察 細晶硬質合金中粗晶粒的含量和粗晶尺寸對細晶硬 質合金性能的影響,發現細晶硬質合金中粗晶 WC 粒度小于10μm,粗晶體積分數小于0.29%,合金的 綜合性能可達到未含粗晶 WC 合金的性能。郭聖 達等[5]對不同钴含量的粗晶硬質合金生産過程的各 個環節進行了研究,發現钴含量越低,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。闫明遠[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,發現對于钴的質量分數為7%的 WC 硬質合 金,當粗顆粒 WC 質量分數為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钴粗顆粒硬質合金和高钴細顆粒硬質合金,比較相同硬度下低钴粗 顆粒硬質合金和高钴細顆粒硬質合金的性能,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合金的選用原則進行了 分析。

1 材料的配制

制作了含钴的質量分數分别為 8% 和 18% 的 WC硬質合金,分别命名為 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 钴 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 碳化钽(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,以钴為黏結劑、石臘 為成形劑,為了使 YG8T 和 YG18T 的硬度相同,需 将碳元素的質量分數控制為6.11%和6.08%,所以 YG18T 的配料中需加質量分數為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。

混合料經過濾、烘幹、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。将壓制好的料各配在兩爐 中燒結,不同晶粒度的硬質合金不放在同一爐中。配 爐采 用 低 壓 燒 結,燒 結 溫 度 分 别 為 1480℃和 1410℃,加壓壓力為5MPa。

2 試驗方法

将燒結出來的試樣在 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。将方 形 試 塊 用 酒 精 進 行 清 洗、吹 幹 後,采 用 BSA-224S-DS1型密度儀。按照 GB/T3850—2015 《緻密燒結金屬材料與硬質合金密度測定方法》的規定測試試樣的密度;采用 YSK-IV 型矯頑磁力計,按 照 GB/T3848—2017 《硬質合金 矯頑(磁)力測定 方法》測試試樣的矯頑力;采用 MCoMT-Ⅱ型钴磁 測量儀,按照 GB/T23369—2009《硬質合金磁飽和 (MS)測定的标準試驗方法》測量試樣中钴的含量。

将方形試樣用 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氧 樹脂對試樣進行鑲嵌;用 EcoMet300/AutoMet300 型金相抛磨機進行粗磨、精磨、研磨和抛光;用消磁 器進行消磁;将試樣浸泡在乙醇中,在 SK8200HP 型超 聲 波 清 洗 器 中 進 行 清 洗。 經 吹 幹 後,按 照 GB/T3489—2015《硬質合金 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 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,對試樣抛光面按時間長度進行輕度、 中度和重度腐蝕,并分别清 洗 吹 幹 後,按 照 GB/T 3488.1—2014《硬質合金 顯微組織的金相測定 第1 部 分:金 相 照 片 和 描 述 》的 規 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 定測量合金中 WC組織的晶粒度。

将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 《硬質合 金洛氏硬度(A 标尺)試驗方法》測量試樣的洛氏硬 度,再 在 THVS-30 型 數 顯 維 氏 硬 度 計 上,按 照 JB/T12616—2016《硬質合金刀具基體材料斷裂韌 性檢測方法》的規定測試斷裂韌性。

橫向斷裂強度試樣精磨後的尺寸(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型硬質合金抗彎強 度專用試驗機上,按照 GB/T3851—1983《硬質合金 橫向斷裂強度測定方法》的規定測試試樣的橫向斷裂 強度。

沖擊試樣精磨後的尺寸(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 《硬質合金 硬質 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,對試樣進行粗磨後,采用标樂牌金相抛磨機 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,将磨損試樣嵌入幹砂橡膠輪 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 的質量分數大于98%的鑄造用矽砂,粒徑為 40~70目,落砂流速為(126±5)g/min,用超聲波 清洗後稱取質量,并計算前後質量差,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 钴 YG8T 與 高 钴 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,分别為中顆粒和亞微細顆粒; YG8T 的沖擊韌性達到了8.96J/cm 2,這比常規的 YG8合金高50%。兩種合金的微觀形貌分别如圖 1,2所示。兩種合金的 A 類孔隙級别為 A02,無 B 類孔隙,合金的緻密度高,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 金的矯頑力也有差别,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,钴元素含量低些,所以磁力相應小些。

鎢钴類硬質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。這兩種材料性能差别最大的是 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,都需要将試樣壓斷和打斷, 因此中顆粒的 YG8T 合金中 WC晶粒較粗,試樣斷 裂表 現 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 标 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,并不要求将合金進行強力沖斷, 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這兩項指标進行判斷的,而主 要是根據合金的斷裂韌性确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 剛石壓頭壓裂後,出現裂紋的偏轉和分叉現象,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 銳金剛石壓頭使其産生初始裂紋後,裂紋将會發生 偏轉而消耗更多的能量,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 合金與高钴類合金相比有 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 主要表現為 WC顆粒的塑性變形導緻材料的去除;而亞細顆粒 的 YG18T 主要 表 現 為 钴 相 的 去 除 導 緻 WC 的 脫 落[12]。總之,相同硬度的低钴粗顆粒合金與高钴細 顆粒合金具有幾乎相同的耐磨性,如果優先需要考 慮耐磨性,就優先選用低钴粗顆粒合金,且從合金燒 結的性能穩定性看,低钴粗顆粒合金比高钴細顆粒 合金性能穩定。如果優先需要考慮抗折斷能力,就 優先選用高钴細顆粒合金,高钴細顆粒具有稍好的 抗折斷能力。

4 結論

(1)相同硬度的低钴粗顆粒與高钴細顆粒的硬 質合金相比,低钴粗顆粒合金具有更好的合金燒結 性能穩定性;為了保證晶粒不長大,高钴細顆粒合金 在燒結時需加入抑制劑。

(2)相同硬度的低钴粗顆粒與高钴細顆粒硬質 合金相比,低钴粗顆粒合金具有更低的钴含量和钴 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)相同硬度的低钴粗顆粒與高钴細顆粒硬質 合金相比,低钴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 钴粗顆粒合金的耐磨性稍高,高钴細顆粒合金的抗 折斷能力稍高。

(4)如果需要優先考慮耐磨性,可優先選用低 钴粗顆粒硬質合金;如果需要優先考慮抗折斷能力, 可優先選用高钴細顆粒硬質合金,高钴細顆粒硬質 合金具有稍好的抗折斷能力。

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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 6期 (pp:21-25)>