特粗硬質合金制備工藝的開發＊

伏 坤,舒學福,周建華

(長沙中南凱大粉末冶金有限公司,湖南長沙 410083)

按Sandvik公司有關硬質合金的分類標準[1-2],合金中WC晶粒度為3.5～4.9μm、5.0～7.9μm、8.0～14μm的硬質合金分別為粗晶粒、超粗晶粒和特粗晶粒硬質合金。在Co含量相同的條件下,與傳統的中、粗晶粒硬質合金相比,超粗、特粗晶粒硬質合金具有極高的熱導率,較高的斷裂韌性與紅硬性,較好的抗熱疲勞與抗熱沖擊性能,主要用于極端工況條件下軟巖的連續開采(如采煤、地鐵建設)與現代化公路、橋梁的連續作業(如挖路、鋪路),也可用于對韌性與抗熱疲勞、抗熱沖擊性能要求較高的沖壓模、冷鐓模、軋輥等[3-4]。這類合金的市場需求量占硬質合金市場需求總量的10%以上,具有非常廣闊的市場前景[5]。

目前在國內,WOx(氧化鎢)摻雜堿金屬后,在低于1 000℃的溫度下還原制備出超粗W粉,而后在1 980℃下高溫碳化制備超粗WC粉,再通過濕磨、成形、燒結制備特粗晶硬質合金。本文從濕磨工藝及是否添加W粉調節WC粉的碳含量方面,對特粗晶硬質合金的制備進行一些探討。

1 實驗方法

1.1 原料

實驗采用WC粉的費氏粒度(Fsss)為30μm,總碳(Ct)含量為6.11%(質量分數,下同),游離碳(Cf)為0.04%;Co粉的費氏粒度為1μm,Co含量為99.99%;WC粉的電鏡掃描圖片如圖1,碳化鎢晶粒表面呈現明顯的生長臺階與生長平面,其結晶完整性好。

圖1 WC粉的電鏡掃描圖片Fig.1 SEM of WC pow der

1.2 試樣制備

實驗分為三個階段,第一階段,合金的基本成分為WC-10%Co(質量分數,下同),批重1kg,添加W粉調節WC粉中碳含量,球料比為X∶1(X為廠方保密數據,下同),濕磨介質為汽油,分別濕磨A h,B h,C h,D h(A、B、C、D為廠方保密數據,下同);第二階段,合金的基本成分為WC-10%Co,批重1kg,添加W粉調節WC粉中碳含量,球料比為Y∶1(Y為廠方保密數據,下同),濕磨介質為汽油,分別濕磨C h,D h;第三階段,合金的基本成分為WC-10%Co,WC-11%Co,WC-13%Co,WC-15%Co,不添加W粉調節WC粉中碳含量,球料比為Y∶1,濕磨介質為汽油,WC-10%濕磨C h,其他濕磨D h。成形劑都為橡膠,混合料經摻膠制粒后,壓制成(5.25±0.20)mm＊(6.5±0.20)mm＊(20.0±0.10)mm的B試樣,通過精準控碳排除成形劑,加壓燒結,燒結溫度為1435℃,保溫時間60min。

2 結果與討論

2.1 球磨時間對合金金相及物理性能的影響

在實驗第一階段中,試樣的金相組織結構及檢測結果見圖2至圖5及表1。

圖2 第一階段球磨A小時試樣金相Fig.2 Metallographic phase of the sample after milling Ahours at first stage

圖3 第一階段球磨B小時試樣金相Fig.3 Metallographic phase of the sample after milling Bhours at first stage

圖4 第二階段球磨C小時試樣金相Fig.4 Metallographic phase of the sample after milling C hours at second stage

圖5 第二階段球磨D小時試樣金相Fig.5 Metallographic phase of the sample after milling D hours at second stage

表1 第一階段不同球磨時間下的試樣金相檢測結果Table 1 Metallographic phase test results of the samples at different milling time in first stage

隨著球磨時間的延長,試樣金相組織中的細晶粒增多,WC晶粒度減小,其他金相組織檢測結果無變化。

試樣的物理性能結果見表2。

表2 第一階段試樣的物理性能結果Table 2 Physical properties of the samples at first stage

隨球磨時間的延長,試樣的抗彎強度增加,矯頑磁力增加,硬度增加,密度無明顯變化。由于試樣的WC晶粒度達不到8μm,故決定改變球料比,實驗進入第二階段。

在實驗第二階段,試樣的金相組織結構及檢測結果見圖6-圖7及表3,物理性能結果見表4。

從圖表可見,采取低的球料比,在對應的球磨時間下,試樣的WC晶粒度比第一階段有了明顯增大,但是抗彎強度,矯頑磁力及硬度明顯降低,若想獲得更好的WC晶粒度,則需要進一步降低球料比或是減少球磨時間,但是會造成試樣的強度,硬度進一步降低,滿足不了市場使用要求。

圖6 第二階段球磨C小時試樣金相Fig.6 Metallographic phase of the sample after milling C hours at second stage

圖7 第二階段球磨D小時試樣金相Fig.7 Metal lographic phase of the sample after milling Dhours at second stage

實驗第三階段,控制混合料中W粉添加量,提高混合料中碳含量,以促進WC晶粒長大,成為一個可行的措施。通過不往混合料中添加W粉,保持WC粉原有碳含量,試樣的金相組織結構及檢測結果見圖8-圖11及表5,物理性能結果見表6。

表3 第二階段不同球磨時間下的試樣金相檢測結果Table 3 Metallographic phase test results of the samples at different milling time in second stage

表4 第二階段試樣的物理性能結果Table 4 Physical properties of the samples at second stage

圖8 第三階段含Co為10%試樣金相Fig.8 Metallographic phase of the sample with 10%Co at third stage

圖9 第三階段含Co為11%試樣金相Fig.9 Metallographic phase of the sample with 11%Co at third stage

圖10 第三階段含Co為13%試樣金相Fig.10 Metallographic phase of the sample with 13%Co at third stage

圖11 第三階段含Co為15%試樣金相Fig.11 Metallographic phase of the sample with 15%Co at third stage

表5 第三階段不同Co粉質量百分含量的試樣的金相檢測結果Table 5 Metallographic phase test results of the samp les with different Co content at third stage

表6 第三階段不同Co粉質量百分含量的試樣的物理性能結果Table 6 Physical properties of the samples with different Co content at third stage

實驗表明,第三階段中保持WC粉的原有碳含量,不往混合料中添加W粉,基本成分為WC-10%Co的合金,WC晶粒度對比第一、第二階段明顯增大,達到了9.0μm,但其物理性能還是差強人意,通過增加混合料中Co粉含量,增加球磨時間,試樣的物理性能得到明顯改善,且WC晶粒度在Co含量小于13%(質量分數,下同)時,仍能保持8μm,在Co含量為11%時,達到了不錯的物理性能。

3 結論

通過控制球磨時間,球料比,控制混合料中碳含量,選擇結晶完整性好的WC粉能制備出性能優異的特粗晶硬質合金

[1] Sandvik Hard Materials.Technical InfoUnderstanding Cemented Carbide Grmn Size[EB/OL].2004-11-04.

[2] 湘子.硬質合金晶粒度分級標準[J].硬質合金,2006,23(2):68.

[3] Jan A K,Thomas E·Cemented carbide body with imp roved.High temperature and thermomeehanieal properties:USA 6692690[P].2004-02-17.

[4] Johan M C,Thomas E,UdofIRoll for hot rolling with increased resistance to thermal cracking and wear:USA 5902942[P].1999-05-11.

[5] 張立.WC粉末粒度與形貌對硬質合金中WC晶粒形貌與合金性能的影響[J].中國鎢業,2008,23(4).