燒結溫度對WC-6.1Co超粗合金微觀結構及性能的影響

廖 軍,蔣 陽,李重典,閔召宇,徐志超,魯穎煒

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,安徽合肥230009; 2.自貢硬質合金有限責任公司,四川自貢643011)

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燒結溫度對WC-6.1Co超粗合金微觀結構及性能的影響

廖 軍1,2,蔣 陽1,李重典2,閔召宇2,徐志超2,魯穎煒1

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,安徽合肥230009; 2.自貢硬質合金有限責任公司,四川自貢643011)

摘 要:采用傳統的低壓燒結工藝制備了WC-6.1Co超粗硬質合金,并通過光學金相觀察和力學、物理性能檢測研究了燒結溫度對該硬質合金的微觀結構以及性能的影響規律。結果表明:低壓燒結制備的合金中WC晶粒度隨燒結溫度的升高而增大,WC晶粒孔隙始終較少,且棱角較鮮明,組織發育完整。此外,雖然磁力和導熱系數隨燒結溫度的升高分別單調下降和增加,但燒結溫度為1 430℃時,WC-6.1Co超粗硬質合金的強度和硬度較高,具有最優的綜合性能。

關鍵詞:超粗硬質合金;燒結溫度;微觀結構;性能

1 引言

WC-Co硬質合金由于具有高的硬度、強度以及高的楊氏模量而在很多領域得到了廣泛的應用,例如機械加工用刀具、耐磨零件、石油、礦山開采和模具等領域[1]。超粗晶硬質合金是目前世界硬質合金主要技術進展代表之一,呈現出從單純的材料制備技術向注重材料應用研究轉變的趨勢[2]。與鈷含量相當的其他晶粒度合金相比,這種合金因具有更高的斷裂韌性、熱傳導性以及抗熱疲勞性[3-4],因此被廣泛用于采礦、軋輥、鑿巖等場合,市場前景廣闊。瑞典、英國、德國、意大利等國家在很早就對粗晶粒硬質合金進行了研究,通過平衡鈷的質量分數和WC顆粒大小,可獲得韌性和硬度匹配良好的硬質合金,并且已經產業化[5]。國內近幾年才開展超粗硬質合金方面的研究,公開報道的文獻不多。主要研發生產公司有株洲硬質合金有限公司、自貢硬質合金有限責任公司、廈門金鷺特種合金有限公司、蘇州江鉆新銳硬質合金有限公司等。

在硬質合金的實際生產過程中,燒結溫度對其性能有至關重要的影響,現以WC-6.1Co硬質合金材料為研究對象,采用傳統粉末冶金方法制備了一系列試樣,通過對性能及微觀結構的檢測與觀察,探討了燒結溫度對超粗晶硬質合金性能及微觀組織的影響。

2 實驗方法

2.1 實驗原料

實驗用的WC粉末由自貢硬質合金有限責任公司生產,球形Co粉由上海百洛達公司生產,實驗原料的關鍵技術參數見表1所示。

表1　實驗用粉末原料的關鍵技術參數

2.2 試樣制備

試樣制備采用傳統粉末冶金方法,具體的制備工藝為:將原始粉末WC、Co按試驗配方稱好后倒入硬質合金球磨罐中,裝入直徑約為6.35mm硬質合金球(ISO:K20),用滾動球磨機濕磨,轉速為63rpm;己烷加量為380ml/kg,球料比2∶1,加入2.0wt％的石蠟作為成型劑,球磨時間14h。球磨結束后,料漿過篩后經真空干燥制得粒料。利用60t單柱液壓機壓制直徑為15mm的試樣,壓制壓力180MPa,隨后,所有壓坯均擺放在石墨舟皿上,并置于低壓燒結爐中。采用不同燒結溫度燒結時,壓力維持在5.0 MPa,時間固定為90 min,具體樣品的燒結溫度如表2所示。

2.3 性能檢測

采用排水法測定合金試樣密度,合金試樣的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。利用德國萊卡公司生產的DMl5000M型金相顯微鏡觀察合金金相,和日本三豐公司生產的ARK-600型洛氏硬度計測量合金的洛氏硬度(載荷60kgf,保荷時間5s)。利用德國KOERZEMAT 1.096型矯頑磁力儀測合金矯頑磁力,法國塞塔拉姆公司生產的D6025型鈷磁儀測定硬質合金的鈷磁。利用英國Hot Disk AB公司生產的Hot Disk TPS2500S型熱常數分析儀,采用瞬變平面熱源法(TPS)技術測量硬質合金的熱導系數,測量的原理和方法已有文獻報道闡明[6]。

表2　WC-6.1Co合金的燒結溫度

3 結果與分析

3.1 硬質合金的矯頑磁力和硬度

不同燒結溫度制備的合金矯頑磁力和硬度檢測結果見圖1所示。

圖1　WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金矯頑磁力和硬度與燒結溫度的關系

從圖1可以看出,WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金矯頑磁力隨燒結溫度升高而降低,合金的硬度隨燒結溫度升高呈現出先升高后降低的趨勢。矯頑磁力與WC晶粒大小成反比:當鈷含量一定時,鈷相的分散程度隨著碳化鎢晶粒變細而提高,矯頑磁力也隨之增大,因此矯頑力可以作為間接衡量WC晶粒大小的指標[6],晶粒粗,矯頑磁力則低。隨著燒結溫度升高,晶粒出現長大,合金矯頑磁力降低。燒結溫度從1 360℃升高1 400℃,合金中WC晶粒長大不顯著,燒結溫度提高,粘結相分布更加均勻,同時粘結相中W、C原子固溶量增加,鈷相得到強化,故合金硬度隨燒結溫度升高而升高;燒結溫度從1 400℃升高到1 480℃,合金中WC晶粒長大充分,根據Hall-Petch定律[7],合金硬度隨燒結溫度升高而降低。

3

.2 硬質合金密度和抗彎強度

WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金的密度和抗彎強度與燒結溫度的關系見圖2所示。

圖2　WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金密度和抗彎強度與燒結溫度的關系

從圖2可以看出,WC-6.1Co超粗硬質合金隨燒結溫度的升高其密度值變化不大;硬質合金的抗彎強度隨燒結溫度升高呈現先增長至最大值后降低的趨勢,合金抗彎強度在1 420℃出現最大值,達到2 440MPa。這可以從合金的金相結果(見表3)以及金相照片(見圖4)找到原因,當燒結溫度低于1 420℃時,隨燒結溫度的升高,合金粘結相分布更加均勻、組織均勻性得到提高,合金抗彎強度呈現升高的趨勢[8];當燒結溫度高于1 420℃時,合金粘結相分布變得惡化、出現較多粗大WC晶粒,合金組織均勻性變差,根據鈴木壽的強度研究結論[9],合金中的缺陷如孔洞、脆性脫碳相、游離碳以及粗大WC晶粒會使硬質合金的抗彎強度值降低,這些缺陷的尺寸越大,抗彎強度的降低幅度就越大,故合金抗彎強度隨燒結溫度的提高而呈現降低的趨勢。

3.3 硬質合金導熱系數

超粗WC-6.1Co硬質合金矯頑磁力與導熱系數的關系如圖3所示。

圖3　WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金矯頑磁力與導熱系數的關系

從圖3可以看出,隨合金矯頑磁力的降低,合金的導熱系數呈現出增大的趨勢。即硬質合金的WC平均晶粒變粗,合金的導熱系數變大。經數據理合分析,矯頑磁力和導熱系數呈現明顯的負相關,兩者滿足Y=-0.1527X+29.597函數關系。

3.4 硬質合金的微觀結構

表3和圖4分別給出了不同燒結溫度制備的合金的金相照片。

表3　不同燒結溫度制備的合金試樣微觀組織

圖4　WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金在不同燒結溫度下的金相照片(1500×)

從表3和圖4可以看出隨燒結溫度的升高,WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金中平均WC粒度增大;溫度越高,合金中WC晶粒組織分布更加不均,1 480℃的燒結溫度制備的合金,其平均WC晶粒超過5um,達到5.03um。從金相圖片還可以看出合金組織中的WC晶粒孔隙少,棱角較鮮明,組織發育較完整。

圖5給出了不同燒結溫度制備的WC-6.1Co超粗硬質合金合金試樣的WC粒度分布結果。

圖5　不同燒結溫度下WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金的WC粒度分布

從圖5中可以看出,隨燒結溫度提高, WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金中的WC晶粒長大變粗,WC平均晶粒尺寸增大,晶粒尺寸大于7μm的WC晶粒占比增大,小于2μm 的WC晶粒占比減少。一般情況下,燒結溫度越高,液相含量越多,細小的WC顆粒溶解在液相的量越多,溶解再結晶長大程度越嚴重,故高燒結溫度高制備的合金,細小WC晶粒量少,粗大的WC晶粒多。WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金中WC粒度離差系數越大, 即WC晶粒的均勻性越差。超粗合金中WC粒度離差系數在0.70～0.85間,合金晶粒分布較均勻。

4 結論

(1)采用1 430℃、5.0MPa壓力燒結工藝,WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金具有最優的綜合性能,密度14.92g/cm3,硬度87.6HRA,強度2 440MPa,磁力5.3KA/m,合金導熱系數為155.9W/m K。

(2)WC-6.1Co超粗硬質合金的導熱系數隨合金矯頑磁力的降低呈現增大的趨勢。矯頑磁力和導熱系數呈現明顯的負相關關系,兩者滿足Y=-0.1527X+29.597函數關系。

(3)低壓燒結制備的WC-6.1Co超粗晶粒硬質合金,合金金相達到A02B00C00E00水平,WC平均晶粒尺寸隨燒結溫度的升高而增大,合金組織中的WC晶粒孔隙少,棱角鮮明,組織發育完整。

參考文獻:

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Effect of Sintering Temperature on the Microstructures and Properties of WC-6.1Co Ultra-Coarse Grained Cemented Carbides

LIAO Jun1,2,JIANG Yang1,LI Zhong-dian2, MIN Zhao-yu2,XU Zhi-chao2,LU Ying-wei1
(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Anhui 230009 Hefei,China; 2.Zigong Cemented Carbide Co.Ltd.,Zigong 643011 Sichuan,China)

Abstract:WC-6.1Co ultra-coarse grained cemented carbides were prepared by the traditional lowpressure sintering process The metallography observation and mechanical and physical characterizations have been performed to study the effect of sintering temperature on the microstructures and properties of the ultra-coarse grained cemented carbides.It is found that the grain size of WC increases with the sintering temperature increasing.Moreover,the WC grains keep less pores and present integrality of microstructures with distinct edges and corners.In addition,the coercive force and thermal conductivity monotonically decreasing and increasing,respectively,with the sintering temperature growing,however,the WC-6.1Co ultra-coarse grained cemented carbide sintered at 1 430℃reached highest bending strength and hardness,and eventually gained thebook=33,ebook=37best comprehensive performance.

Key words:ultra-coarse grained cemented carbides;sintering temperature;microstructure;properties

作者簡介:廖軍,工程師,長期從事硬質合金技術與研發工作。

文章編號:1001-5108(2016)01-0032-06

中圖分類號:TQ174,TG135

文獻標識碼:A