可還原氧含量對WC-0.5%TaC-10.5%Co性能及微觀組織影響

張旭輝,劉 偉,劉小胡,時凱華,閔召宇

(自貢硬質合金有限責任公司刀片分廠,四川自貢643000)

可還原氧含量對WC-0.5%TaC-10.5%Co性能及微觀組織影響

張旭輝,劉 偉,劉小胡,時凱華,閔召宇

(自貢硬質合金有限責任公司刀片分廠,四川自貢643000)

將WC-0.5%TaC-10.5%Co的原料壓制成樣塊,并將樣塊進行增氧處理,然后將樣塊放在一體化ZYL-ZA500真空脫蠟真空燒結爐中燒結。通過對燒結合金進行分析檢測,比較發現:當壓坯中還原氧含量低于0.31%時,對硬質合金的金相組織、硬度沒有影響;而對于樣塊的鈷磁則隨著壓坯中可還原氧含量的降低,磁力則隨著氧含量的增加而增加。

增氧;硬質合金;氧含量;真空燒結

1 引言

在硬質合金生產過程中,原料中的碳對硬質合金的性能、微觀組織有著極其重要的影響,而氧含量一直是作為雜質元成分存在。在生產現場,當原料碳量一定,燒結工藝一定時,壓坯中的氧含量就是一個影響產品性能以及微觀組織的主要因素。國內外學者[1-4]對碳含量的變化與抗彎強度、矯頑磁力和硬度的關系研究得較多,而氧含量的變化對硬質合金的性能以及微觀組織的研究則較少。本文通過真空燒結方法,研究了不同氧含量壓坯的鈷磁、矯頑磁力、硬度以及微觀組織的影響,希望對硬質合金的質量控制有指導作用。

2 試驗

2.1 樣品的制備

試驗樣品用WC-0.5%TaC-10.5%Co的原料并壓制成15.6mm×15.6mm× 7.2mm試樣,共6組,每組4片。將這些樣塊在現場放置不同的時間,樣塊的可還原氧含量隨著放置時間的不同變得不同。通過對這6組樣塊的化學成分進行分析,其化學成分如表1所示。

2.2 實驗過程

將已經制備好的樣塊通過卡爾菲休定氧劑測定出樣塊中的可還原氧含量,選擇ZYLZA500真空燒結爐將6組壓坯燒成合金,工藝條件為:采用真空脫蠟,待脫蠟完成,升溫到燒結溫度1 390℃,然后保溫90min冷卻到室溫將樣塊取出進行檢測。

表1 樣品化學成分

2.3 檢測分析

樣塊的鈷磁是用ACom T型全自動鈷磁測量儀檢測檢測,矯頑磁力是用Coercimeter 93-I型磁力測量儀檢測,金相組織是用LEICADMI5000數碼金相顯微鏡檢測觀察,金相腐蝕采用等體積的20%氫氧化鈉溶液和20%鐵氰化鉀溶液的混合液,硬度的測量采用TH320型數顯洛氏硬度計。

3 實驗結果討論

3.1 樣塊的鈷磁和磁力性能的分析

圖1顯示出了6組樣塊的鈷磁、矯頑磁力的性能與樣塊中可還原氧含量直接的關系。對于樣塊的鈷磁而言,隨著可還原氧的含量增加,樣塊的鈷磁呈下降趨勢,在這個變化的過程中,可還原氧含量增加了0.08%,鈷磁下降了0.04%。Micheal Sommer研究表明,在1 000℃的溫度下,可還原氧經過一系列的化學反應后,將奪去WC表層一部分碳,并以CO2和CO的形式溢出,造成局部貧碳,這時,在Co的作用下,η碳化物開始形成[5],從而導致樣塊的鈷磁降低。而可還原氧含量變化范圍比較小,能奪取的碳也是相當有限的,所以鈷磁的變化范圍比較微小。矯頑磁力則隨著可還原氧含量的增加而增加,其增量為0.2k A/m。矯頑磁力主要跟合金的WC晶粒度、鈷含量以及總碳含量有關[6],而在燒結過程中,合金中的總碳隨著氧含量的增多而減少,造成樣塊的矯頑磁力隨著可還原氧含量的增加而增加。

圖1 可還原氧含量與硬質合金的鈷磁、磁力的關系

3.2 樣塊的硬度分析

圖2給出了可還原氧含量與洛氏硬度之間的關系。由圖可知,在6組樣塊中,隨著可還原氧含量的變化,樣塊的硬度在91.8附近波動,但總體上差別不大。陳楚軒等人研究表明,硬質合金的硬度主要與鈷含量、WC的晶粒度、碳含量以及使用溫度這四個因素相關。當合金的晶粒度和碳含量相同時,合金的硬度隨著鈷含量增加3%而降低1HRA;當鈷含量相同時,合金硬度隨WC晶粒度增加而降低;合金的碳含量會引起合金金相和鈷相成分的變化,缺碳時,產生硬脆的η相,合金硬度增高,碳量過量時,產生軟相石墨夾雜,硬度降低;各種不同鈷含量的合金硬度隨溫度的升高而降低[7]。在本實驗中,試樣的初始鈷含量、WC的晶粒度、碳含量是相同的,樣塊的硬度是在室溫下進行檢測,而還原氧含量的增量為0.08%,對樣塊中的鈷和碳含量的影響很微小,所以樣塊的硬度沒有變化,即可還原氧含量的變化為0.08%時,對 WC-0.5%TaC-10.5%Co合金的硬度沒有影響。

圖2 可還原氧含量與洛氏硬度之間的關系

3.3 金相分析

圖3(a～f)是六組樣塊的金相圖片,這6組圖片顯示出樣塊的晶粒度相差不大,因為合金中的WC粒度主要和混合料中WC粒度及分布、燒結溫度、燒結時間、混合料中碳含量、混合料中的鈷含量以及抑制劑有關,混合料中WC粒度相差越大,WC越易長大;燒結溫度越高、燒結時間越長、碳含量越高、鈷含量越高WC越易長大。在本實驗中,樣塊的WC粒度及分布、燒結溫度、燒結時間、鈷含量以及抑制劑是相同的,而可還原氧含量變化是微量的,樣塊中的碳含量變化幾乎相同,因而樣塊的粒度不會有太大差別。

圖4(a～f)WC粒徑分布直方圖也說明了WC粒度相差不大。這六組樣塊的WC晶粒度分布在2.0μm這個級別之下,都以0.5μm～1.0μm分布最多,在38%附近波動,而6組樣塊的平均晶粒度在0.68μm～0.72μm之間,相差不大。這也進一步證明在WC初始晶粒度分布相同的情況下,可還原氧含量增量為0.08%時,對樣塊的微觀組織幾乎沒有影響。

4 結論

研究以WC-0.5%TaC-10.5%Co為對象,采用傳統粉末冶金方法制備了一系列樣品,并通過在空氣中放置獲取了不同氧含量的壓坯,經過磁性能、力學性能和微觀結構的觀察,發現了壓坯氧含量對硬質合金的性能影響,得出結論如下:

(1)壓坯中的可還原氧含量的變化會對壓坯的鈷磁和磁力有一定影響,當可還原氧的含量增量為0.08%時,WC-0.5%TaC-10.5 %Co硬質合金的鈷磁會降低0.04%,磁力會升高0.2k A/m。

(2)壓坯中的可還原氧含量在0.23%～0.31 %變化時,使用相同的燒結工藝燒結之后,6組壓坯的硬度、微觀組織以及WC的粒徑都相差不大,這說明壓坯中的可還原氧含量對WC-0.5%TaC-10.5%Co的硬度、微觀組織以及WC的粒徑沒有影響。

圖3 樣品金相照片

圖4 樣品WC粒徑分布直方圖

[1] 肖逸鋒,等.碳含量對缺碳硬質合金組織和性能的影響[J].中國有色金屬報,2007,17(1): 39-44.

[2] 王社權.影響超細硬質合金性能的幾個因素[J].硬質合金,2000,17(1):9-12.

[3] 張衛兵.WC、Co質量對超細硬質合金性能影響的研究[J].硬質合金,2003,20(3):157 -160.

[4] 張梅琳,等.超細及納米硬質合金中碳含量的變化及對組織性能的影響[J].材料導報,

2006,20(8):65-68.

[5] 顏 杰,等.硬質合金中的增氧反應及其影響[J].硬質合金,2006,23(4):218-221.

[6] 陳楚軒.硬質合金質量控制原理[M].2008: 137-139.

[7] 陳楚軒.硬質合金質量控制原理[M].2008: 131-132.

Effect of Reducible Oxygen Contents on Properties and Microstructure of WC-0.5%TaC-10.5%CoCemented Carbide

ZHANG Xu-hui,LIU Wei,LIU Xiao-hu, SHI Kai-hua,MIN Zhao-yu
(Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd.,Zigong 643011,Sichuan,China)

The raw material of WC-0.5%TaC-10.5%Co were pressed into green blanks,and increased oxygen contents in the blanks.Then,the blanks were put into ZYL-ZA500 vacuum sintering furnace and sintered.After sintering,the sintered blanks were determined and the results were analyzed.It is found that when the content of the reducible oxygen below 0.31%,it mad no effect on the metallurgical structure and hardness of the blanks;the Cobalt magnetic decreased with increase of reducible oxygen;the Magnetic increased with the increase of reducible oxygen. Key words:oxygenation;cemented carbide;oxygen content;vacuum sintering

TF125.3

:A

1001-5108(2015)04-0027-05

張旭輝,助理工程師,從事硬質合金燒結。