非均勻結構硬質合金制備及無損檢測綜合實驗

郭智興,楊 梅,熊 計,鮮 廣,葉俊镠

(1.四川大學 制造科學與工程學院,四川 成都 610065;2.成都理工大學 材料與化學化工學院,四川 成都 610059)

WC-Co系硬質合金具有高的硬度和耐磨性、良好的強度和韌性,是目前最主要的工具材料,在切削工具、耐磨零件和地質開采等領域得到廣泛應用[1-2]。盡管硬質合金具有許多優異的物理力學性能,但存在強度與硬度的固有矛盾,其硬度越高強度越低[3]。隨著服役工況越來越惡劣,傳統硬質合金難以滿足越來越高的性能要求。

非均勻結構WC-Co硬質合金既有粗晶粒合金的高韌性,又有細晶粒合金的高硬度和高耐磨性,是一種綜合性能優良的新型結構硬質合金[4],利用非均勻結構硬質合金獲得硬度和韌性“雙高”的性能是國內外研究的熱點。非均勻結構硬質合金的ɑ相晶粒度和碳飽和度對其硬度和韌性有直接影響,其檢測與控制是高性能硬質合金制造的關鍵。

為了讓學生深入了解和掌握非均勻結構硬質合金中涉及的碳平衡和ɑ相晶粒度控制,培養學生綜合應用知識進行創新實踐的能力和習慣[5-6],本文基于科研實踐設計了研究非均勻結構硬質合金制備與無損檢測的綜合實驗。實驗內容包括進行雙峰晶粒度設計制備非均勻結構硬質合金,碳平衡和ɑ相晶粒度等硬質合金的成分和微觀組織表征,相對飽和磁化強度與矯頑磁力等磁學性能指標檢測及其與碳平衡和ɑ相晶粒度的關系分析。

1 實驗

將費氏粒度為0.6、1.0、6.0、20、30 μm的WC與Co等原料粉末配制成硬質合金,采用粒度相近的兩種WC各半的搭配方式形成雙峰晶粒度設計,并添加W粉或炭黑調節硬質合金的碳平衡。采用硬質合金球對混合粉末進行48 h球磨,然后經過400目篩網過濾、100 ℃真空干燥,按90 mL/kg的比例摻入SD橡膠成型劑,經過干燥和80目過篩后的混合粉末在50 MPa下壓制成生坯,最后在1 420 ℃下完成液相燒結,制備出非均勻結構硬質合金。

將燒結后的硬質合金試樣鑲樣,然后在金剛石磨盤上磨平,最后用金剛石研磨膏拋光。先不腐蝕,直接在光學顯微鏡下觀察觀察η相和石墨相；然后用Murakami試劑對試樣進行腐蝕,觀察硬質合金的ɑ相晶粒度；采用磁力計和磁飽和儀進行矯頑磁力和飽和磁化強度檢測。

2 實驗結果與討論

2.1 非均勻硬質合金的碳平衡

圖1是不同碳平衡的硬質合金的微觀組織,從未腐蝕的拋光面上可觀察到白亮色的η相(見圖1(a))、無脫碳滲碳組織(見圖1(b))、黑色簇狀的石墨相(見圖1(c))。

圖1 硬質合金的微觀組織和1150℃下W-C-Co三元系等溫截面狀態圖

硬質合金的正常組織是WC+γ,γ相為WC溶解在Co中形成的固溶體。從圖1(d)的1 150 ℃下的W-C-Co三元系等溫截面狀態圖[7]中可見,WC-Co硬質合金存在一個很窄的二相區,表明碳含量在一定范圍的波動仍可獲得兩相組織(見圖1(b))。Gurland的研究表明,兩相區中碳含量的上限(Wcul)與WC中的理論碳量6.125%(質量分數)相吻合,即上限與Co-WC線相重合；而碳含量下限(Wcll)則取決于合金的鈷含量(WCo):

Wcll=6.125%-0.0737×WCo

(1)

當WC-Co系中的碳含量低于下限,則會出現Co3W3C等η相(見圖1(a))；若碳含量高于上限,則會出現游離碳——石墨相(見圖1(a)和(c))。嚴重脫碳和滲碳都不利于硬質合金的強韌性,必須控制碳平衡在兩相區內才能獲得正常的組織。

2.2 非均勻硬質合金的微觀組織

圖2是不同ɑ相晶粒度的非均勻結構硬質合金的微觀組織。4種非均勻結構硬質合金的原始粉末雙峰構成分別是0.6 μm+1.0 μm、1.0 μm+6.0 μm、6.0 μm+20 μm和20 μm+30 μm(粗細WC粉末質量分數各50%)。經過球磨破碎和均勻化,以及燒結過程中的晶粒生長,4種非均勻結構硬質合金的ɑ相晶粒度分別為0.8～1.0 μm,1.2～1.6 μm,1.6～2.0 μm,2.0～2.4 μm,呈現出粗細搭配的結構,無明顯的ɑ相異常長大。非均勻結構硬質合金微觀組織呈現“混凝土”似的結構,其中粗晶粒WC相當于混凝土中的“石塊”,而細晶粒WC和Co則相當于“水泥砂漿”。這種粗細晶粒鑲嵌組織的Co層變得均勻,能容忍一定程度的WC異常長大[8]。

圖2 不同ɑ相晶粒度的非均勻硬質合金微觀組織

2.3 基于磁性性能指標的無損檢測

一方面,WC-Co 硬質合金中含有鐵磁質的Co,當磁場強度H增大而磁化強度M不再增大,此時的磁化強度稱為飽和磁化強度Ms。合金的飽和磁化強度Ms與Co含量有關,并隨γ相中W溶解度增加而降低；而γ相中W的溶入量與合金中的含碳量有很好的負相關性[9]。考慮到Co含量的影響,采用相對飽和磁化強度(相對磁飽和)更為合理,

(2)

其中,Msr為相對飽和磁化強度(相對磁飽和),%；4πδγ為合金γ相的比飽和磁化強度,4πδCo為純鈷的比飽和磁化強度160 Gs·cm3/g=2 020 A·m2/kg；Wγ和WCo分別為γ相和Co的質量百分含量；ComCo為合金的鈷磁。

經檢測,隨著硬質合金的碳平衡由脫碳、正常到滲碳,其相對飽和磁化強度值依次升高69%、89%、97%,表現出正相關性。國內外的研究表明,合金二相區上限的相對飽和磁化強度值(Msrul)約為95%；合金二相區下限的相對飽和磁化強度值(Msrll)約為80%；實驗條件不同,結果略有差異)[9]；通常,二相區的寬度約為15%。

(3)

6.125%-0.073 7×Wco

(4)

因此,可以利用相對磁飽和值(Msr)作為硬質合金碳含量無損檢測的依據。

另一方面,WC-Co硬質合金的矯頑磁力取決于反磁化過程中全部單磁疇γ相段磁矩的轉動阻力的總和[10]。ɑ晶粒度越小,則γ相完全被WC 骨架阻隔成孤立分布的單磁疇γ相段,因此矯頑磁力越大；ɑ晶粒度越大,單磁疇γ相比例下降，而多磁疇γ相比例增加,磁疇壁總面積減少使合金的矯頑磁力下降[10-11]。國內外學者證實了ɑ晶粒度(dwc)是矯頑磁力(Hc)的冪函數,其通式如下[12]:

(5)

式中C為常數。

對圖2所示的不同ɑ相晶粒度的非均勻結構硬質合金進行了矯頑磁力檢測,并基于公式(5)進行非線性擬合,結果如圖3所示。

圖3 不同ɑ相晶粒度的非均勻硬質合金的矯頑磁力與晶粒度關系曲線

因此,利用矯頑磁力值(Hc)可以實現硬質合金晶粒度的無損檢測。

3 結語

本實驗通過晶粒度雙峰設計制備了非均勻結構硬質合金,并進行了ɑ相晶粒度和碳飽和度的微觀組織觀察,通過對矯頑磁力與飽和磁化強度等磁學性能指標與硬質合金微觀組織與成分的關系分析,實現了非均勻結構硬質合金的無損檢測。本綜合實驗是將科研成果轉化成實驗教學項目,知識點和內容豐富,有利于培養學生的創新思維和科研熱情,為學生以后獨立從事科研工作打下良好的基礎[13]。實驗中需要使用球磨機、壓機、燒結爐、等設備,并進行微觀組織和物理性能分析等實驗內容,可以培養學生的實踐能力和綜合運用知識解決科學和工程問題的能力。

References)

[1] Heinrichs J,Olsson M,Jacobson S.Initial deformation and wear of cemented carbides in rock drilling as examined by a sliding wear test[J].Int J Refract Met Hard Mater,2017,64:7-13.

[2] Toller L,Jacobson S,Norgren S.Life time of cemented carbide inserts with Ni-Fe binder in steel turning[J].Wear,2017,376/377:1822-1829.

[3] Song X Y,Gao Y,Liu X M,et al.Effect of interfacial characteristics on toughness of nanocrystalline cemented carbides[J].Acta Mater,2013,61(6):2154-2162.

[4] 郭圣達,呂健,陳顥,等.非均勻結構硬質合金的研究現狀及發展趨勢[J].稀有金屬與硬質合金,2013,41(6):67-69.

[5] 沈承金,隋艷偉,王延慶,等.材料成型及控制工程實踐創新建設新模式研究[J].實驗技術與管理,2017,34(6):22-24.

[6] 張其亮.創新創業引領下的高校實踐能力培養體系重構[J].實驗技術與管理,2017,34(7):17-23.

[7] 吳悅梅,熊計,賴人銘.碳含量對 WC- Co 硬質合金顯微組織的影響及其控制[J].硬質合金,2008,25(3):179-185.

[8] Wang H B,Yang T,Song X Y,et al.Wear resistance enhancement of bimodal-grained cemented carbide coating[J].Surf Coat Tech,2017,309:759-766.

[9] 陳楚軒,黃鴻宇.WC-Co 硬質合金的相對磁飽和[J].中國鎢業,2009,24(5):81-85.

[10] 劉壽榮.WC-Co硬質合金的矯頑磁力[J].中國有色金屬學報,1995,5(2):132-134.

[11] Cao R J,Lin C G,Xie X C,et al.Determination of the average WC grain size of cemented carbides for hardness and coercivity[J].Int J Refract Met Hard Mater,2017,64:160-167.

[13] 劉宏達,馬忠麗,路勇,等.將科研成果引入本科教學實踐環節的探索[J].實驗技術與管理,2016,33(7):14-19.