钴粉的粒度对高钴粗颗粒硬质合金性能的影响

黄 伟,时凯华,刘 江,顾金宝,王芳艳

(自贡硬质合金有限责任公司，四川 自贡 643011)

Co粉的物理化学性能包括Co粉的形貌、平均粒度、氧含量、纯度、松装密度等。在硬质合金的制备中, 钴粉的制备工艺和钴粉的形貌、粒径及纯度直接影响了硬质合金的质量, 甚至影响到硬质合金的发展[1]。硬质合金除对钴粉的纯度要求严格外,还对其粒度和形态有很高的要求，张健[2]认为,钴粉平均粒度应在1～ 1. 5 μm,且粒度分布均匀呈球形。钴粉粒度也影响合金性能，按规定钴粉松装密度≤0.75 g/cm3,Fsss≤4.0 μm，一般超细硬质合金用超细钴粉,K类合金用Fsss=1.5 μm的钴粉，M10、M20等牌号用Fsss=2.5 μm钴粉，矿山工具用Fsss= 4.0 μm的钴粉[3]。竭正强[4]认为，随着球形度增加，Co 粉在混合料中分布更均匀，超细晶硬质合金的TRS随之提高；张卫兵[5]研究了WC、Co 质量对超细硬质合金性能影响:认为Co粉粒度对合金性能影响不是很大,粒度小于1.3 μm即可；吴志坚[6]认为钴粉粒度对超细硬质合金的组织结构也有一定的影响，大于3 μm 的粗钴粉容易造成超细合金中出现钴池，钴粉太细则可能造成钴相分布不均。高钴粗颗粒硬质合金主要用作冷镦模具，对合金的耐磨性、强度都有很高的要求，晶粒度均匀、粒度分布更窄的合金有更高的强度，没有钴粉对高钴粗颗粒合金性能影响的相关报道，本文研究了钴粉粒度对高钴粗颗粒硬质合金性能的影响，希望通过选择Co粉粒度提高合金的综合性能。

1 实验

1.1 原料

本实验选用WC为自贡硬质合金公司生产，粒度(Fsss)为25 μm，其中Co粉选自市售商品钴粉，平均粒度(Fsss)分别为1.33 μm、2.21 μm、2.70 μm，钴粉的具体性能参数如表1。

表1 实验用钴粉粒度以及氧含量

1.2 实验方法

高钴粗颗粒硬质合金一般指钴含量20%-25%，晶粒度在2.0μm以上的硬质合金，主要用作冷镦模具的模芯材质，在冷镦模的应用中，以钴含量22%的合金应用最广，最具有代表性的合金牌号有自贡硬质合金有限责任公司的 ZL40.5，春保钨钢的VA90等，所以本次实验按WC-22wt.%Co成分配制WC-Co原料粉末，用相同石蜡己烷工艺，经球磨、压制、烧结制备实验标样，实验参数：配料重量1000 g，石蜡加量20 g，己烷加量400 ml，球磨24小时，压制标样:5.25 mm×6.5 mm×20 mm，采用5 MPa压力，1420 ℃烧结。用Hitachi S-3000N扫描电镜对三种不同的钴粉形貌进行观察，用美国95型费氏平均粒度仪测试钴粉粒度；用德国KOERZEMAT 1.096型矫顽磁力仪检测合金磁力；用法国塞塔拉姆公司生产的D6025型钴磁仪测量合金钴磁 ；用日本三丰公司生产的ARK-600型硬度仪测试合金硬度；用三点弯曲试验方法测定硬质合金抗弯强度(B标尺)；用德国莱卡公司DMI5000M型金相显微镜，采用截线法测试合金定量金相及粒度分布。

2 结果与分析

2.1 钴粉形貌对比

图1中1#、2#、3#为三种费氏钴粉的SEM照片，从照片上可以看出，三种钴粉均为类树枝状[6]，多数钴粉团聚在一起，不同费氏的钴粉粗细有明显的差异。随着钴粉粒度的不同，形貌产生了一些差异，其中3#钴粉有比较明显的再结晶，这可能与粗颗粒钴粉的还原温度比较高有关，因为温度高, 还原反应的速度加快, 但随着温度的不断升高,钴粉颗粒之间互相烧结再结晶的作用增加, 导致钴粉颗粒长大[7]。钴粉的 Fsss越高, 钴粉的粒度越粗。

图1 原料钴粉的SEM照片Fig.1 SEM images of the cobalt powders: (a) powder 1#, (b)powder 2#, (c)powder3#

2.2 金相以及定量金相检测结果

图2 定量金相Fig.2 Quantitative metallography

通过对三组合金的金相检测发现，常规金相检测没有明显的差别，但是从图2的截线法测定1#、2#、3#合金的定量金相结果可以发现：随着钴粉Fsss粒度增加，合金定量金相WC粒度从2.82 μm逐渐增大2.98 μm；粒径离差系数从0.7026减小到0.5964，呈逐渐降低趋势。从定量金相的结果显示，随着钴粉粒度的增加，离差系数逐渐减小，说明WC的粒度更加均匀。

结合图3中的WC晶粒统计图，随着钴粉粒度增加，1#、2#、3#合金定量金相中粒度在0.5～1.0 μm的WC细晶粒所占比例分别为12%、10%、8.1%，呈逐渐下降趋势；图4金相照片也进一步证实，3#样品金相照片中细小的WC晶粒明显较少，随着钴粉Fsss粒度的增加，细晶粒的比例逐渐减小。

图3 WC粒度统计分布图Fig.3 distribution of the WC particle size:(a) sample 1#, (b)sample 2#, (c)sample 3#

图4 金相照片Fig.4 Microstructure picture：(a) sample 1#, (b)sample 2#,(c)sample 3#......

经分析，引起合金定量金相WC粒度增加、离差系数的减少、细颗粒WC的减少，合金的WC晶粒均匀性得到改善的主要原因是：枝状钴粉有较多的团粒，加上钴粉延展性较好，在球磨过程中很难将它进一步细化[8]，粒度更粗的钴粉阻碍了更多WC的进一步破碎，减少了细颗粒WC所占的比例，带来合金定量金相粒度的增加以及WC均匀性的改善，钴粉粒度的增加对提高高钴粗颗粒合金的WC均匀性有帮助。

2.3 合金性能检测

三组合金的机械物理性能结果见表2，从表2可知，钴粉的Fsss粒度从1.33 μm增加至2.70 μm，制备的合金硬度(HRA)从82.7降低到82.4，矫顽磁力从4.2 KA/m降低至4.0 KA/m，随着钴粉Fsss粒度的增加，硬度、磁力逐渐降低；矫顽磁力是合金饱和磁化后完全退出磁性的反磁场强度，磁力与合金的钴层厚度成线性函数关系，钴层厚度越厚Hc值越小，厚度越薄磁力值越大，相同钴含量，WC晶粒度越粗，钴层厚度越厚，磁力越低；相同钴含量，合金的矫顽磁力与合金WC的晶粒度成反比[3]，与图2的WC定量金相分析结果趋势相吻合。高钴合金随着合金粒度的增加，合金的强度逐渐降低，合金的WC粒度分布范围窄的，其抗弯强度值较高[9]，1#样品对比2#样品，定量金相从2.82 μm增加到2.93 μm，离差系数从0.70降低到0.61，抗弯强度从2220 MPa增加到2270 MPa，离差系数的降低对强度起主要作用，2#样品对比3#样品，定量金相从2.93 μm增加到2.98 μm，离差系数从0.61降低到0.59，强度降低到2230 MPa，离差系数降低较少，晶粒度的增加对合金的强度影响更为明显。合金密度、钴磁变化不明显。

表2 机械物理性能

吴志坚[10]认为影响合金的Hc主要是由钴粉在合金中钴相平均自由程所决定的，较粗的钴粉往往有较大的钴相平均自由程，从而较粗的钴粉在合金中有比较低的Hc，相同组成合金的Hc和硬度成正比关系[3],所以随着钴粉粒度的增加，磁力硬度逐渐降低。钴粉粒度小于2 μm，抗弯强度随钴粉粒度的增大而先增大后减小,钴粉粒度2 μm 之后，抗弯强度基本没什么变化[10]，本次实验强度先增加后降低，变化趋势与其结论一致。

3 结论

为得到更好粒度分布的高钴粗颗粒合金，以提高合金的综合使用性能，通过实验验证不同Fsss粒度的钴粉对高钴粗颗粒合金性能的影响，得到以下结论：

(1)随着钴粉Fsss粒度从1.33 μm增加到2.70 μm，定量金相分析WC-22wt.%Co粗颗粒合金中的WC平均晶粒度略有增加，离差系数减小，适宜的钴粉Fsss粒度能够提高高钴粗颗粒合金WC晶粒的均匀性；

(2)在相同的工艺条件下，随着钴粉Fsss粒度从1.33 μm增加2.70 μm，WC-22wt.%Co粗颗粒合金的硬度和磁力略有下降，钴粉粒度为2.21 μm的合金强度最高，密度无明显变化。