碳含量对WC-8.0%Co硬质合金性能及微观组织的影响

李重典,时凯华,2,王海霞,廖军,闵召宇,徐志超

(1.自贡硬质合金有限责任公司,四川自贡643011; 2.中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083)

碳含量对WC-8.0%Co硬质合金性能及微观组织的影响

李重典1,时凯华1,2,王海霞1,廖军1,闵召宇1,徐志超1

(1.自贡硬质合金有限责任公司,四川自贡643011; 2.中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083)

采用传统粉末冶金法,分别制备出两种碳量的WC-8.0Co硬质合金样品。利用光学显微镜、扫描电镜对合金微观组织结构特征进行观察与分析,并对比两种碳量的硬质合金刀片耐磨损性能。结果表明:提高配碳量,合金钴磁值升高,磁力、密度和硬度降低,合金中易出现异常长大的WC晶粒,Co相分布更加不均匀现象;在合金WC+γ两相区的碳量范围内,碳量低的合金刀片的耐磨性优于碳量高的合金刀片。

硬质合金;碳含量;性能;微观结构;磨损

1 引言

WC-Co硬质合金由于具有高的强度、硬度以及高的杨氏模量而在很多领域得到了广泛的应用,例如机械加工用刀具、耐磨零件、石油、矿山开采和模具等领域[1-3]。WC-Co系硬质合金在用作切削工具时,其主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料,是产量最大、用途最广的一类硬质合金。有研究表明,碳含量对硬质合金的组织和性能有极大的影响[4]。碳含量过高会导致烧结中WC晶粒严重长大,因为当碳含量超过理论含量后,多余的游离碳会在低于共晶点温度下与WC和γ相产生三元共熔反应,导致硬质合金烧结液相点的降低,并且液相量随碳含量的增加而增加,所以在实际的烧结温度下增加了液相量并延长了液相保持时间。根据WC晶粒长大溶解-析出机理,WC溶解析出量越多, WC晶粒越容易长大。所以碳含量除对合金晶粒度有影响外,对相组成也有很大影响[5]。在WC-Co系硬质合金中,由于Co对硬质相WC有良好的润湿性和粘结性,且C、W在Co相中部分溶解[6],使WC-Co系硬质合金具有高密度、高硬度、高强度和高耐磨性[7]。由此可见,要获得综合性能较优的合金,要严格控制碳的含量。在硬质合金制造过程中,因生产工序繁杂、影响因素繁多,在整个硬质合金生产链中的每个生产环节都会对碳产生影响,因此对混合料或合金碳量控制显得极为重要。

本文以WC-8.0Co硬质合金材料为研究对象,采用传统粉末冶金方法制备了不同碳量的合金试样,通过对性能及微观结构的检测与观察,探讨了不同碳量对硬质合金常规性能、切削性能及微观组织的影响。

2 实验

2.1 实验原料

实验用的WC粉末由自贡硬质合金有限责任公司生产,上海百洛达公司生产的球形Co粉,实验原料具体参数如表1所示,各种粉末的形貌见图1。

表1 实验用粉末原料的物理和化学性能

图1 原始粉末形貌照片

2.2 试样制备

试样制备采用传统粉末冶金方法。WC-8.0%Co为基体,通过添加炭黑,制备了两种不同碳量的样品,实验的成分配比按表2进行。具体的制备工艺为:将原始粉末WC、Co、炭黑按试验配方称好后倒入硬质合金球磨罐中,装入直径约为6.35mm硬质合金球(ISO:K20),用滚动球磨机湿磨,转速为63rpm;己烷加量为200ml/kg,球料比4∶1,加入2.0wt%的石蜡作为成型剂,球磨时间48h。球磨结束后,料浆过筛后经喷雾干燥制得粒料。利用60t单柱液压机压制直径为15mm的试样,压制压力180MPa。所有的压坯均摆放在石墨舟皿上,为保持试样脱蜡效果一致,放置在同一舟皿中心位置,采用宁波岛津真空技术开发有限公司生产的PHSgr30/30/90脱脂加压烧结急速冷却炉,经9.0h氢气脱蜡后,采用1 400℃,保温90min烧结工艺制得合金试样和切削刀片试样(型号A320)。

表2 样品主要标称成分

2.3 性能检测

采用排水法测定合金试样密度,合金试样的金相腐蚀采用等体积的20%氢氧化钠溶液和20%铁氰化钾溶液的混合液。利用德国莱卡公司生产的DMl5000M型金相显微镜观察合金金相,利用日本三丰公司生产的ARK-600型洛氏硬度计测量合金的洛氏硬度(载荷60kgf,保荷时间5s),利用德国KOERZEMAT 1.096型矫顽磁力仪测合金矫顽磁力,法国塞塔拉姆公司生产的D6025型钴磁仪测定硬质合金的钴磁,利用中国大连机床厂生产的CW61100E车床检测试样切削灰铸铁(HT250,硬度170-190HB)的耐磨损性能,切削试验参数:VC=120m/ min,ap=2.0mm,f=0.2mm/r。

3 结果与讨论

3.1 硬质合金的微观结构

表3和如图2分别给出了不同碳量制备的合金的金相结果和金相照片。

表3 不同碳量制备的合金试样微观组织

图2 不同碳量制备的合金试样的光学金相图片

从表3可以看出,相同烧结工艺制备的不同碳量的两种合金试样致密化程度高,孔隙水平均达到了A02B00水平,WC平均晶粒尺寸等级均为1.2um,Co层厚度小于1.0 um。但从合金的金相图片(图2)可以看出,相同烧结工艺,配碳量高的1#合金试样中存在粗大的WC晶粒(图中黑色箭头位置)较碳量低的2#合金试样多。因1#合金试样中存在较多粗大的WC晶粒,故其Co层厚(图中白色箭头位置)度较厚,Co层整体分布变得不均。因1#合金试样碳含量偏高,其碳含量(合金系统中WC碳含量为6.23%)超过理论含量,多余的游离碳会在低于共晶点温度下与WC和γ相产生三元共熔反应,导致硬质合金烧结时液相点降低,并且液相量随碳含量的增加而增加,所以在实际的烧结温度下增加了液相量并延长了液相保持时间。根据WC晶粒长大溶解-析出机理,WC溶解析出量越多,WC晶粒越容易长大,导致制备的1#合金试样WC晶粒长大严重。对比两合金的金相照片可知,碳量低的2#合金试样微观组织结构均匀性优于1#合金试样。

3.2 硬质合金的性能

不同碳量制备的合金的性能如表4所示。

表4 不同碳量制备的合金性能

从表4中可知,合金的磁性能(磁力、钴磁)、硬度和密度与合金碳量存在不同的变化规律。碳量的提高,合金钴磁增加,合金的磁力、硬度和密度降低。钴磁(Com)是WC-Co硬质合金中的Co在磁场中能被磁化的部分占合金质量(被测合金)的百分比。Com值与合金中的含碳量有较好的对应关系,在WC+γ两相区内,Com值随合金碳量增加而增加,通过Com值可以衡量合金中的碳量[8]。因1#合金试样的配碳量高于2#合金试样,采用相同的烧结工艺和处在相同的烧结环境,故1#合金试样的碳量(Com值)高于2#合金试样;矫顽力(Hc)与WC晶粒大小成反比:当钴含量一定时,钴相的分散程度随着碳化钨晶粒变细而提高,矫顽力也随之增大。因此矫顽力可以作为间接衡量WC晶粒大小的指标[9],晶粒细,矫顽力则大。由图2可以得知,1#合金试样中的WC晶粒粗大、Co层厚度大,故1#合金试样磁力对于2#合金试样,在WC+γ两相区内,合金的碳量降低,γ相中含W量增加,合金密度增大,故2#合金试样的密度高于1#合金试样;合金硬度是个综合性能指标,影响硬质合金硬度性能的主要因素有:合金致密度,Co相体积分数、Co相成分和WC的晶粒尺寸。合金的孔隙度、晶粒尺寸与硬质合金的硬度关系如式(1)所示[10]。

式中:H为合金的硬度;d是合金晶粒尺寸;P是孔隙度,K、a、b是常数。由式(1)可知孔隙度P减小、晶粒细化会导致硬质合金硬度增加。因2#合金试样的碳量(Com值)偏低,γ相中含W量增加,γ相得到固溶强化,且WC晶粒较细,故2#合金试样的硬度高于1#合金试样。

3.3 硬质合金耐磨损性能

车削试验后,不同碳量制备的合金刀片磨损形貌如图3所示。

图3 不同碳量制备的合金试样的前刀面和后刀面磨损形貌图

从两组不同碳量制备的合金刀片切削试验后的前后刀片磨损形貌图可以看出,碳量高的1#合金试样后刀面(图a)平均磨损值(VB=0.780mm)大于2#合金试样前刀面(图b)平均磨损值(VB=0.492mm);合金的钴磁值升高0.69%,刀片后刀面磨损值增加58.54 %。1#合金试样刀片前刀面(图a-1)的月牙洼深度和宽度均大于2#合金试样刀片(图b-1)。因2#合金试样的碳量(Com值)偏低,γ相中含W量多,γ相得到固溶强化,且WC晶粒较细、硬度高、抗塑性变形能力增强,故2#合金试样刀片的耐磨性高于1#合金试样刀片。从试验刀片的前刀面和后刀面的磨损情况看,处在WC+γ两相区内的合金刀片,碳量低的合金刀片的耐磨性优于碳量高的合金刀片。

4 结论

(1)采用相同的烧结工艺和烧结环境, WC-8.0%Co混合料中WC配碳量提高0.06%,合金钴磁值提高0.69%,磁力降低0.6k A/m,密度降低0.07g/cm3,硬度降低0.3HRA。

(2)WC-8.0%Co混合料配碳量提高,合金中WC晶粒更容易长大,出现较多异常长大的粗大WC晶粒,合金Co相分布不均程度加剧。

(3)处在WC+γ两相区内的WC-8.0% Co合金刀片,碳量低的合金刀片的耐磨性优于碳量高的合金刀片;合金的钴磁值升高0.69%,刀片后刀面磨损值增加58.54%。

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Effect of the Carbon Content on the Properties and Microstructure of WC-8.0%Co Cemented Carbides

LI Zhong-dian1,SHI Kai-hua1,2,WANG Hai-xia1, LIAO Jun1,MIN Zhao-yu1,XU Zhi-chao1
(1.Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd,Zigong 643011,Sichuan,China; 2.State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)

A series of WC-8.0Co cemented carbides with two kinds of carbon content were prepared by vacuum sintering through traditional powder metallurgy method.Optical microscopy (OM),scanning electron microscopy(SEM)were used to characterize the microstructures.The results show that increasing the carbon content of cemented carbides,can increases cobalt magnetism,the density and hardness of cemented carbides has decreased.The phenomenon of abnormal growth of WC grains become more easy and Co phase distribution become more uneven in cemented carbides with the carbon content increases.The carbon content of cemented carbides in the range of WC+γcarbon content of region,The wear resistance of low cobalt magnetism cutting inserts outstanding than high cobalt magnetism cutting inserts.

cemented carbides;carbon content;properties;microstructure;wear

TG135.5

:A

1001-5108(2015)04-0009-05

李重典,工程师,硕士研究生,主要从事硬质合金技术管理及研发工作。