特粗硬質(zhì)合金開發(fā)

袁志良，劉華平，陸慶忠

（蘇州新銳合金工具股份有限公司，湖北 潛江433124）

0引言

根據(jù)Sandvik對(duì)硬質(zhì)合金晶粒度的劃分，特粗硬質(zhì)合金為晶粒尺寸大于8μm的合金[1]。與中粗硬質(zhì)合金相比，在硬度相同條件下，特粗硬質(zhì)合金具有更高的耐磨性、韌性和抗熱疲勞性，現(xiàn)已廣泛用于截煤、銑刨、旋挖工程領(lǐng)域。

近年來，國內(nèi)一些硬質(zhì)合金廠家都在進(jìn)行特粗合金制備方法的研究。對(duì)于特粗WC粉（Fsss粒度大于20μm），球磨時(shí)間過長，WC過度破碎；球磨時(shí)間過短，又會(huì)造成鈷相分布不均，所以采用常規(guī)球磨方法很難制備出晶粒尺寸大于8 μm的特粗合金。目前國內(nèi)有采用特粗WC粉添加納米粉的方法制備出特粗合金，其基本原理為：WC-Co硬質(zhì)合金的WC晶粒粗化（或稱為WC晶粒長大）總是通過小WC晶粒在液相燒結(jié)過程中首先溶解，過飽和的W原子及C原子在冷卻過程中通過界面反應(yīng)和擴(kuò)散在大晶粒表面再沉淀而實(shí)現(xiàn)，這是眾所周知的液相燒結(jié)的溶解-再沉淀機(jī)制[2]。但納米粉價(jià)格貴，合金性價(jià)比不高，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

此外，特粗合金粉料制粒也是一個(gè)難題。由于特粗合金WC比表面積小，吸附或粘結(jié)效果差，粉料拋光成粒時(shí)，粉料之間碰撞幾率變少，導(dǎo)致粉料不能有效粘結(jié)在一起，粉料難以成粒。同時(shí)特粗粉料制粒時(shí)對(duì)溫度、濕度比較敏感，因此選擇合適的制粒環(huán)境、制粒技術(shù)尤為重要。

本文以WC－10%Co硬質(zhì)合金為例，研究了超細(xì)復(fù)合粉末溶解法制備特粗硬質(zhì)合金，同時(shí)摸索出特粗硬質(zhì)合金的制粒技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

原材料采用高溫還原和碳化的特粗WC粉(Fsss粒度為 25－30μm)和超細(xì) WC-Co復(fù)合粉（研磨態(tài)粒度為 0.2－0.4 μm），Co粉費(fèi)氏粒度為 1.0-1.5μm。 超粗 WC、WC－Co復(fù)合粉、Co原材料化學(xué)成分見表1，粉料電鏡照片見圖1、圖2、圖3。

表1 超粗WC、超細(xì)WC-Co復(fù)合粉、Co化學(xué)成分

圖1 超粗WC粉SEM照片

圖2 復(fù)合粉SEM照片

圖3 Co粉SEM照片

從以上圖片看出：所用特粗WC結(jié)晶完整，顆粒比較均勻，生產(chǎn)的合金會(huì)遺傳WC優(yōu)良特征；超細(xì)復(fù)合粉中納米級(jí)顆粒較多，可以通過球磨破碎得到；鈷粉為類球形，球磨過程中有利于鈷的均勻分布。

按照常規(guī)硬質(zhì)合金制備工藝制備特粗硬質(zhì)合金。分別配制特粗WC+10%Co為混合料A和10%Co復(fù)合粉為混合料B（B要經(jīng)過強(qiáng)化球磨），將兩種混合料按一定比例配成Cl、C2、C3混合料，A:B重量比分別為9:1、8:2、7:3，未加復(fù)合粉10%Co混合料為D。球磨一定時(shí)間后出料干燥，壓制成直徑16 mm，高度20 mm圓柱試樣，在低壓爐中同爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1430-1460℃，燒結(jié)后的試樣進(jìn)行常規(guī)理化性能檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 合金理化性能

表2 合金理化性能

由表2看出，復(fù)合粉加入量為10%的C1合金矯頑磁力比D合金低3 0e，硬度低0.4 HRA；復(fù)合粉加入量為20%、30%的C2、C3合金矯頑磁力和D合金相比變化不明顯，硬度低0.1 HRA，說明復(fù)合粉含量過多，超細(xì)WC不能完全在粗WC上溶解析出，導(dǎo)致合金硬度又略有增加。

2.2 合金金相組織

加入10%復(fù)合粉的Cl合金晶粒最粗，合金晶粒均勻性最好，說明超細(xì)WC完全在粗WC上溶解析出。復(fù)合粉料添加量分別為20%、30%的C2、C3的晶粒和不添加復(fù)合粉的D合金接近。隨著復(fù)合粉添加量的增加，細(xì)WC晶粒也逐步增加，這是由于細(xì)WC除了粗WC上溶解析出外，細(xì)WC之間也存在溶解析出。

圖4 C1合金 1000×

圖6 C3合金 1000×

圖7 D合金 1000×

3 特粗硬質(zhì)合金制粒工藝

由于特粗合金WC吸附能力差，粉料拋光成粒時(shí)，粉料之間碰撞幾率變少，粉料粘結(jié)力差，導(dǎo)致粉料難以成粒。為解決特粗合金制粒困難問題，根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)試樣結(jié)果分析，采用特粗WC+10%Co混合料中加入10%的復(fù)合粉(10%Co)批量生產(chǎn)混合料，摸索出特粗硬質(zhì)合金制粒工藝如下：

首先制粒環(huán)境的溫度、濕度適中，其次要嚴(yán)格控制錘磨速度、錘磨次數(shù)及壓團(tuán)壓力。由于特粗粉料性質(zhì)特殊，拋光前如不對(duì)拋光筒表面進(jìn)行粗糙度處理，粉料在拋光時(shí)處于滑動(dòng)狀態(tài)，隨著時(shí)間延長，粉料與拋光筒表面會(huì)產(chǎn)生熱量，成型劑變軟甚至?xí)辰Y(jié)失效，粉料無法成粒。因此在粉料倒入拋光筒之前往拋光筒內(nèi)壁均勻噴灑一定量溶劑，同時(shí)往拋光筒內(nèi)壁均勻撒細(xì)粉，然后進(jìn)行滾筒制粒，形成合格粒子，其形貌和正常壓制的中粗晶合金晶粒接近，見圖8、圖9。

為驗(yàn)證特粗合金粉料的壓制性能，批量生產(chǎn)了單重為300g、直徑為28 mm的楔形齒（屬于大直徑難成型的產(chǎn)品），產(chǎn)品易調(diào)試，壓坯軟廢率低于3%，屬于正常水平。

圖8 特粗合金粉料粒子

圖9 中粗晶合金粉料粒子

4 結(jié)論

（1）復(fù)合粉添加量為10%的特粗合金晶粒最粗，合金晶粒均勻性最好。隨著復(fù)合粉加入量增加，細(xì)WC晶粒變多，同時(shí)晶粒不均勻性增加。

（2）特粗硬質(zhì)合金制粒關(guān)鍵工藝為：控制制粒環(huán)境溫度和濕度；對(duì)拋光筒表面進(jìn)行粗糙度處理，以解決粉料碰撞幾率小，粘結(jié)力差問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]113 Sandvik Hard Materials.Technical Info＼Understanding Cemented Carbide Grmn[S/OL].2004-11-04.

[2]白英龍，吳沖滸，楊霞等.納米粉末溶解法制備粗晶WC-Co硬質(zhì)舍金[J]粉末冶金材料科學(xué)與工程，2012，17(4)：501-507.