不同形貌碳化鎢對合金磨損性能的影響

顧金寶，廖 軍，菅豫梅，王 可，邱 勇，刁椿珉

(自貢硬質合金有限責任公司，四川 自貢 643011)

1 引言

WC-Co硬質合金具有優良的機械性能，尤其是其較高硬度和良好韌性的結合，使得其廣泛應用于地質工程中的礦山開采、油氣鉆探、隧道掘進等工程領域。硬質合金在鑿巖領域中主要以硬質合金齒的形式出現，合金齒通過鑲嵌在鋼結構的釬頭體上制作成鉆頭(或釬頭)，形成各式各樣的鑿巖工具，這些鑿巖工具的服役條件一般比較惡劣，常常需要承受循環載荷、冷熱交替的溫度變化以及腐蝕性的工作環境。疲勞失效是造成鑿巖工具失效的一種主要形式，疲勞種類一般有機械疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞，在硬質合金實際使用中，幾種疲勞方式共同作用，相互促進[1]。目前關于實驗室合金性能檢測的報道大部分是關于靜載荷的，主要包括強度、硬度、斷裂韌性等，也有文章報到過動載荷狀態下合金的沖擊疲勞研究[2-4]。關于實驗室模擬沖擊回轉式鑿巖工具的工況，對合金施加一定動載荷的沖擊，同時可以設定轉速進行磨損的實驗研究的報道較少。硬質合金中碳化鎢為其主要成分，合金的耐磨性依賴于硬質相，碳化鎢粉末的常規分析能確定其純度和粒度；但由于不同廠家提供的碳化鎢，在化學成分和粒度十分相近的情況下仍然表現出力學性能及其他性能的差異[5]。以下就市售的三家相同規格的碳化鎢，費氏粒度20-25 μm，在相同工藝參數下制作成相同成分、合金平均晶粒度4-5 μm的材質，研究三個廠家的碳化鎢制成的合金在相同動載荷沖擊回旋式磨損實驗條件下磨損情況的差異性。

2 實驗方法

2.1 試樣制備

采用A、B、C三個廠家生產的費氏粒度相近的WC作為原料，具體性能參數見表1。采用相同球磨工藝：球磨時間14 h、球料比2:1、己烷加量350 ml/kg、研磨體直徑φ10 mm合金棒，及費氏粒度2 μm鈷粉，均配料成含鈷量6%合金原料。對三組原料利用50 t雙向DORST壓力機，壓制成統一規格的樣塊，在1450 ℃燒結溫度下完成合金化，制成沖擊磨損的合金試樣，其尺寸為φ29 mm×43 mm(見圖1)。

*總碳、游離碳、W2C、氧含量均是質量分數。

2.2 檢測設備、方法

利用ZEISS公司生產的EVO-18型掃描電子顯微鏡觀察WC微觀形貌；采用排水法測定合金試樣密度；試樣金相及孔隙度采用德國徠卡公司生產的DMI5000M型金相顯微鏡觀察；采用截線法測定試樣的平均晶粒度；試樣硬度采用HR-150A型洛氏硬度計測量；試樣的磁力采用德國KOERZEMAT1.096型矯頑磁力儀檢測；試樣鈷磁性能采用法國塞塔拉姆公司生產的D6025型鈷磁儀測定；試樣沖擊磨損實驗在長春機械科學研究院有限公司生產的動載荷沖擊磨損試驗機上進行，沖擊磨削的對象是花崗巖，見圖1。

3 實驗結果與討論

3.1 三家WC微觀形貌檢測觀察

從圖2可以看出：低倍下，A、C廠家的WC料均勻性較好，B廠家的WC粗細不均，存在較多的粗大顆粒；高倍下，C廠家料表面較為光滑，顆粒發育完整，A、B廠家的WC有較多的聚集顆粒，B廠家產品更明顯。A、B、C三個廠家的碳化鎢呈現不同形貌特點，這可能與各廠家的碳化鎢生產工藝參數不同有關[6-7]。

3.2 合金試樣性能檢測

分別采用三個廠家生產的WC制備成含鈷量6%的合金，其試樣性能指標見表2所示。磁力、鈷磁均有細微差異，平均晶粒度均達到4-5 μm ，粒徑離差系數0.73-0.74，三組實驗晶粒均勻性比較接近。從圖3中的金相照片可以發現，金相組織非常相近。

3.3 沖擊磨損實驗檢測與分析

所有試樣都制備成統一規格鉆頭標樣塊，考慮到樣品的單重、尺寸有差異，本次實驗采用在同一沖擊磨損條件下，用重量損失比來評估樣品的抗沖擊磨損能力。沖擊磨損機參數設置兩種方案，具體參數見表3。 本次沖擊磨損實驗是在兩種不同的設置條件下進行的，由圖4可以明顯看出，在測試1(磨損轉速300 r/min)狀態下，A、B、C合金表現出的抗沖擊磨損效果非常接近；在測試2(磨損轉速80 r/min)狀態下，A、B、C三組合金沖擊磨損效果拉開了差距。合金B磨損重量損失最小，合金C、A次之。這三組合金在高速和低速的磨削呈現出明顯的差異性。高轉速下沖擊磨削差異不大，主要原因可能是三組合金試驗的晶粒度粗化導致較好的導熱性，在高轉速磨削狀態下，合金磨損以抗熱疲勞性能為主，抗沖擊疲勞為輔；低轉速磨削狀態下，試樣B在低轉速磨削狀態下表現比較突出，相對磨損質量損失百分比最小，主要原因可能是在低轉速磨削試驗條件下，合金磨損以沖擊磨損為主，熱疲勞磨損為輔。結合試樣B所使用的碳化鎢及合金性能發現：一是合金B所用碳化鎢原料相對A、C合金所用碳化鎢，粒度粗細不均明顯，且W2C含量較高，表明碳化鎢B發育相對不完全，合金制備工藝中碳化鎢B在球磨環節團粒易于被打散和破碎，制成合金后，合金B的平均晶粒度較A、C合金偏細，硬度均略高于A、C試樣，低轉速磨損，合金B的耐磨性能得到體現。

4 結論

(1)在相同的工藝條件下，用不同廠家WC原料制備的合金樣塊，在沖擊頻率和載荷一定的情況下，不同轉速條件下合金的抗沖擊磨損情況不一樣。低轉速狀態下，碳化鎢B制備的合金試樣B顯示出明顯優勢；在高轉速狀態下，碳化鎢C制備的合金試樣C略有優勢。

(2)在一定條件下，通過沖擊磨損試驗可觀察出不同廠家碳化鎢制成的合金的耐沖擊性及抗磨損綜合性能的差異。

(3)以上的實驗結果僅是不同轉速條件下得到的，后續需要進一步地研究沖擊磨損實驗機參數設置(轉速、沖擊頻率、沖擊負荷，沖擊時間)與碳化鎢及合金沖擊磨損失效之間的關系。

參考文獻：

[1] 陳振華，姜勇. 硬質合金的疲勞與斷裂[J]. 中國有色金屬學報，2011(10)：2394-2401.

[2] 歐朝霞. 鈷含量及晶粒度對硬質合金沖擊疲勞性能的影響[J]. 硬質合金，2008(1)：37-41.

[3] 張超，左劍波. 以沖擊功測定硬質合金韌性[J]. 西安石油大學學報(自然科學版)，1990(3)：33-37.

[4] 陳鼎，胡山，陳振華，等. 低周沖擊加載評價硬質合金韌性的研究[J]. 湖南大學學報(自然版)，2014(2)：102-107.

[5] 李健純，吳楚英. 幾種碳化鎢的微觀結構的比較[J]. 稀有金屬，1985(6)：81-83.

[6] 李健純，吳惕言. 碳化鎢粉末的微觀結構與工藝員參數的關系[J]. 中南大學學報(自然科學版)，1986(4)：58-65，119-120.

[7] 孫五四，伏坤，李行，等. 超粗晶WC粉的制備工藝研究[J].稀有金屬與硬質合金，2016(2)：13-17.