硬質合金破損機理及評價

顏 娟,劉方舟,蘇 偉,易長賓

(自貢硬質合金有限責任公司,四川自貢 643011)

硬質合金破損機理及評價

顏 娟,劉方舟,蘇 偉,易長賓

(自貢硬質合金有限責任公司,四川自貢 643011)

硬質合金廣泛應用于工業生產中,其服役環境復雜,所以研究硬質合金的破損機理及評價機制,對于提高硬質合金的使用性能具有重要的指導意義。綜述了硬質合金破損機理(熱應力、電化學腐蝕、磨粒磨損、沖擊載荷),指出硬質合金在使用時同時受多種因素的共同作用,但破損失效的主要形式是不同的,為進一步認識硬質合金破損失效機理和評估材料抗破損特性提供一定的參考。

硬質合金;破損機理;材料評估

1 引言

硬質合金因具有高硬度、高紅硬性和良好耐磨性等特點,號稱“現代工業的牙齒”,廣泛地應用于金屬切削、礦山采掘、石油鉆探等領域[1-2]。在實際使用中,硬質合金通常嵌入到工具的耐磨部分,由于受力條件、工作環境復雜,在使用過程或者加工過程中會出現破損的情況。材料在循環載荷下的斷裂不僅取決于其強度值,還決定于它的塑性變形能力,了解硬質合金的斷裂機理和提高其使用壽命是硬質合金研究領域的一個重要方向。目前,硬質合金的報道中關于強度的研究較多,而關于其韌性和疲勞性能的研究較少。我國是世界硬質合金的原料基地,也是世界硬質合金的生產與消耗大國,為了提高我國硬質合金企業在國際市場上特別是高端產品領域的核心競爭力,必須加強原始創新的提升,特別是對疲勞、斷裂等基礎問題的研究需要有大的突破。以下綜合評述了近年來國內外硬質合金破損原因的研究成果和評價方法。

2 常見的硬質合金破損機理分類

2.1 熱應力

在溫度周期性變化條件下工作的硬質合金,由于硬質相(WC、TiC、TaC等)晶粒與粘結相(Co,Ni, Fe等)的熱膨脹系數差別很大所產生的高應力而引起熱裂紋的生成與擴展。早在40年代,Boston最先報告了硬質合金刀具在銑削過程中前刀面上出現熱裂紋[3],Zorev提出了拉應力理論用來解釋熱裂紋的擴展[4],該理論認為,在非連續切削間刀具迅速冷卻下來,致使刀面溫度低于刀體溫度,于是便產生拉應力。裂紋在硬質合金表面形核后,熱應力使裂紋沿硬質相和粘結相的界面擴展。利用高頻加熱器加熱WC-20%硬質合金環的方法進行了模擬實驗[5],將產品在空氣中加熱到600℃又快速冷卻下來,進行循環加熱冷卻,在1300次時開始出現裂紋。圖1是硬質合金環在循環加熱1300次、2000次和3000次的表面電鏡照片。從圖中可以看出,在1300次熱循環后,隨著熱循環次數的上升,裂紋開始擴展,發展成為熱疲勞的典型特征——龜裂紋[6]。

圖1 WC-20%Co硬質合金環在循環加熱的SEM

2.2 電化學腐蝕

當硬質合金處于潮濕的空氣或浸泡在溶液中時,其金屬粘結相(Co,Ni,Fe等)、碳化物硬質相(WC、TiC、TaC等)和溶液中的(H2O、O2、H+)發生的電化學反應如下:

通過標準氧化/還原電極電位,計算出腐蝕電池的標準吉布斯自由能,例如:

從熱力學角度判據可知,在酸性溶液中,金屬粘結相可以發生電析氫反應,在堿性和中性溶液中,金屬粘結相和碳化物硬質相均能發生電化學反應。不同粘結相電位不同,所以在同樣的環境中腐蝕速率不同。圖2 WC-9%Ni硬質合金在模擬海水—NaCl溶液中,浸泡前和浸泡8周后的表面形貌。從圖中可以看出,粘結相腐蝕嚴重,大部分硬質相晶粒形狀開始暴露出來[7-8]。

圖2 WC-9%Ni在模擬海水中浸泡前后表面形貌的變化

2.3 磨粒磨損

硬質合金磨粒磨損分為軟磨損和硬磨損[9]。軟磨損的機理為粘結相的移除和WC晶粒的脫落,硬磨損的機理主要是磨粒造成的WC顆粒的變形及破碎。硬質合金研磨時影響其表面的因素主要有兩個,即施加的力和局部溫度。圖3為某規格的金剛石砂輪研磨硬質合金的表面形貌,從圖中可以看出硬質合金磨粒磨損包括塑性犁溝的形成,粘結相的擠出與移除,WC顆粒的變形、斷裂與破碎[10-12],從而形成裂紋以及破碎。

圖3 某規格的金剛石砂輪研磨硬質合金的表面形貌

2.4 沖擊載荷

沖擊疲勞是材料在循環沖擊載荷下,即使應力未能達到硬質合金的強度極限,但在交變的沖擊壓縮和拉伸應力作用下,產生疲勞裂紋的現象[12-13]。在硬質合金里粘結相是疲勞敏感介質,在外界沖擊或循環應力下,相由面心立方結構轉變為密排六方結構,因此使得相界面脆弱,產生剝離。硬質合金缺陷處(如孔隙、Co池、石墨、夾雜、脆性相、結晶不好以及弱化的晶界)和粘結相的反復塑性變形容易引起應力集中,在沖擊載荷下,表面光滑的硬質合金亞表面區域的缺陷位置,引起的應力集中效應最大,在沖擊載荷和應力集中的綜合作用下,萌生出微裂紋。疲勞裂紋穩定擴展區域與瞬斷區域存在著明顯的區別,圖4是WC-6%Co硬質合金沖擊斷裂后的SEM照片,從圖中可以看出:穩定擴展區域存在著許多的摩擦碎屑,這些碎屑的產生是由于疲勞裂紋在穩定擴展的過程中,已產生的裂紋面在分壓應力的作用下相互接觸,裂紋在前進過程中,兩個表面會產生相對的滑動,反復的摩擦導致碎屑的產生。而在瞬斷區,不會產生上述反復的相對的滑動,因此斷口的WC和Co相的形貌較為清晰,斷裂形貌較為接近靜載斷裂時的特征。

圖4 WC-6%Co硬質合金宏觀斷口形貌:Ⅰ疲勞源區;Ⅱ穩定擴展區;Ⅲ瞬斷區

3 幾種關于抵抗硬質合金破損的評價方法

常規的硬質合金性能檢測方法有表面硬度、抗彎強度和沖擊韌性測試等等,只是這些表征結果與材料在實際工況中的性能相去甚遠。因此,尋找一種表征硬質合金材料的抵抗硬質合金破損的方法,分析其組織演變規律和性能變化關系,了解其失效機理的方法就顯得尤為重要.

3.1 斷裂韌性

用足夠高的載荷將維氏硬度壓頭施加在材料的拋光表面上,直到壓痕棱角處產生裂紋。

根據試驗測定結果,裂紋總長度L與載荷P呈線性關系,即:

這種測定結果可用于確定裂紋阻力參數

該參數的單位與斷裂韌性的單位一致,和硬度H的關系可以用下式描述:

式中A與B—常數。它可以對碳化物-粘結劑試驗組合具有高硬度和良好沖擊性的切削工具材料的潛力迅速地進行分類。

3.2 磨粒磨損

美國ASTM B611標準設計的磨粒磨損的試驗機示意圖見圖5所示,樣品被鋼輪擠壓在研磨介質中,樣品和鋼輪之間的壓力可以通過砝碼重量調節。磨粒磨損性能采用被測試樣磨損失重量進行評價。在一定的試驗條件下,磨損失重量越小,說明被測試樣耐磨粒磨損性能越好。

圖5 美國ASTM B611標準設計的磨粒磨損的試驗機示意圖

3.3 S-N曲線

常規的材料疲勞性能研究方法是在不同應力水平下重復測試,直到試樣發生疲勞斷裂,記錄疲勞次數,得到曲線。曲線反映了材料的基本疲勞強度特征,是用于估算疲勞壽命和進行疲勞設計的基本試驗。在某一應力循環作用試樣疲勞破壞的循環數作為橫坐標,應力強度作為縱坐標,繪制成曲線。每一應力均對應一個破壞的循環次數,及相應的疲勞強度的水平部分,表示材料經過無限次循環而不被破壞的最大應力,也就是材料的疲勞極限。一般疲勞測試中,疲勞極限認為是在樣品可承受循環周期的最大載荷,如果在循環周期后樣品沒有失效,認為在實驗條件下試樣有無限的使用壽命。

4 展望

硬質合金是一種重要的工具材料,而硬質合金破損機理的研究是一個比較復雜的過程。概括來說硬質合金破損主要是由于合金受到循環應力、溫度的冷熱變化、磨損和電化學腐蝕等使合金微觀組織結構發生改變,最后產生微裂紋并擴展,引起合金破損。合金顯微組織結構、化學成分、微量元素和合金殘余應力都是影響合金抵抗破損性能的主要因素,硬質合金在正常使用過程中一般會受到多類型的共同影響并有主次之分,這將使針對合金斷裂的研究更加復雜,對硬質合金靜態疲勞性能更加深入的研究是非常必要的,它將有更為廣闊的應用前景。

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Mechanism and Evaluation on the Fracture Features of Cemented Carbides

YAN Juan,LIU Fangzhou,SU Wei,YI Changbin

(Zigong Cemented Carbide Corporation Limited,Zigong 643011,Sichuan,China)

Cemented carbides are widely used in industrial production,but their service environments are really complicated,the research on the fatigue performance of cemented carbide has important guiding significance for improving its service performance.In this article the property of formation and expands of fatigue cracks in cemented carbides are summerized,it's pointed out that many types of fatigue affect cemented carbide when it's working,but the main formation of fatigue is different.Thus some references are provided for further understanding the fatigue failure mechanism of cemented carbide and evaluating the fatigue resistance of materials.

cemented carbide,fatigue failure mechanism,material evalution

TG141

A

1001-5108(2017)02-0028-04

顏娟,助理工程師,主要從事硬質合金知識產權管理方面的工作。