鈷粉的粒度對高鈷粗顆粒硬質合金性能的影響

黃 偉,時凱華,劉 江,顧金寶,王芳艷

(自貢硬質合金有限責任公司，四川 自貢 643011)

Co粉的物理化學性能包括Co粉的形貌、平均粒度、氧含量、純度、松裝密度等。在硬質合金的制備中, 鈷粉的制備工藝和鈷粉的形貌、粒徑及純度直接影響了硬質合金的質量, 甚至影響到硬質合金的發展[1]。硬質合金除對鈷粉的純度要求嚴格外,還對其粒度和形態有很高的要求，張健[2]認為,鈷粉平均粒度應在1～ 1. 5 μm,且粒度分布均勻呈球形。鈷粉粒度也影響合金性能，按規定鈷粉松裝密度≤0.75 g/cm3,Fsss≤4.0 μm，一般超細硬質合金用超細鈷粉,K類合金用Fsss=1.5 μm的鈷粉，M10、M20等牌號用Fsss=2.5 μm鈷粉，礦山工具用Fsss= 4.0 μm的鈷粉[3]。竭正強[4]認為，隨著球形度增加，Co 粉在混合料中分布更均勻，超細晶硬質合金的TRS隨之提高；張衛兵[5]研究了WC、Co 質量對超細硬質合金性能影響:認為Co粉粒度對合金性能影響不是很大,粒度小于1.3 μm即可；吳志堅[6]認為鈷粉粒度對超細硬質合金的組織結構也有一定的影響，大于3 μm 的粗鈷粉容易造成超細合金中出現鈷池，鈷粉太細則可能造成鈷相分布不均。高鈷粗顆粒硬質合金主要用作冷鐓模具，對合金的耐磨性、強度都有很高的要求，晶粒度均勻、粒度分布更窄的合金有更高的強度，沒有鈷粉對高鈷粗顆粒合金性能影響的相關報道，本文研究了鈷粉粒度對高鈷粗顆粒硬質合金性能的影響，希望通過選擇Co粉粒度提高合金的綜合性能。

1 實驗

1.1 原料

本實驗選用WC為自貢硬質合金公司生產，粒度(Fsss)為25 μm，其中Co粉選自市售商品鈷粉，平均粒度(Fsss)分別為1.33 μm、2.21 μm、2.70 μm，鈷粉的具體性能參數如表1。

表1 實驗用鈷粉粒度以及氧含量

1.2 實驗方法

高鈷粗顆粒硬質合金一般指鈷含量20%-25%，晶粒度在2.0μm以上的硬質合金，主要用作冷鐓模具的模芯材質，在冷鐓模的應用中，以鈷含量22%的合金應用最廣，最具有代表性的合金牌號有自貢硬質合金有限責任公司的 ZL40.5，春保鎢鋼的VA90等，所以本次實驗按WC-22wt.%Co成分配制WC-Co原料粉末，用相同石蠟己烷工藝，經球磨、壓制、燒結制備實驗標樣，實驗參數：配料重量1000 g，石蠟加量20 g，己烷加量400 ml，球磨24小時，壓制標樣:5.25 mm×6.5 mm×20 mm，采用5 MPa壓力，1420 ℃燒結。用Hitachi S-3000N掃描電鏡對三種不同的鈷粉形貌進行觀察，用美國95型費氏平均粒度儀測試鈷粉粒度；用德國KOERZEMAT 1.096型矯頑磁力儀檢測合金磁力；用法國塞塔拉姆公司生產的D6025型鈷磁儀測量合金鈷磁 ；用日本三豐公司生產的ARK-600型硬度儀測試合金硬度；用三點彎曲試驗方法測定硬質合金抗彎強度(B標尺)；用德國萊卡公司DMI5000M型金相顯微鏡，采用截線法測試合金定量金相及粒度分布。

2 結果與分析

2.1 鈷粉形貌對比

圖1中1#、2#、3#為三種費氏鈷粉的SEM照片，從照片上可以看出，三種鈷粉均為類樹枝狀[6]，多數鈷粉團聚在一起，不同費氏的鈷粉粗細有明顯的差異。隨著鈷粉粒度的不同，形貌產生了一些差異，其中3#鈷粉有比較明顯的再結晶，這可能與粗顆粒鈷粉的還原溫度比較高有關，因為溫度高, 還原反應的速度加快, 但隨著溫度的不斷升高,鈷粉顆粒之間互相燒結再結晶的作用增加, 導致鈷粉顆粒長大[7]。鈷粉的 Fsss越高, 鈷粉的粒度越粗。

圖1 原料鈷粉的SEM照片Fig.1 SEM images of the cobalt powders: (a) powder 1#, (b)powder 2#, (c)powder3#

2.2 金相以及定量金相檢測結果

圖2 定量金相Fig.2 Quantitative metallography

通過對三組合金的金相檢測發現，常規金相檢測沒有明顯的差別，但是從圖2的截線法測定1#、2#、3#合金的定量金相結果可以發現：隨著鈷粉Fsss粒度增加，合金定量金相WC粒度從2.82 μm逐漸增大2.98 μm；粒徑離差系數從0.7026減小到0.5964，呈逐漸降低趨勢。從定量金相的結果顯示，隨著鈷粉粒度的增加，離差系數逐漸減小，說明WC的粒度更加均勻。

結合圖3中的WC晶粒統計圖，隨著鈷粉粒度增加，1#、2#、3#合金定量金相中粒度在0.5～1.0 μm的WC細晶粒所占比例分別為12%、10%、8.1%，呈逐漸下降趨勢；圖4金相照片也進一步證實，3#樣品金相照片中細小的WC晶粒明顯較少，隨著鈷粉Fsss粒度的增加，細晶粒的比例逐漸減小。

圖3 WC粒度統計分布圖Fig.3 distribution of the WC particle size:(a) sample 1#, (b)sample 2#, (c)sample 3#

圖4 金相照片Fig.4 Microstructure picture：(a) sample 1#, (b)sample 2#,(c)sample 3#......

經分析，引起合金定量金相WC粒度增加、離差系數的減少、細顆粒WC的減少，合金的WC晶粒均勻性得到改善的主要原因是：枝狀鈷粉有較多的團粒，加上鈷粉延展性較好，在球磨過程中很難將它進一步細化[8]，粒度更粗的鈷粉阻礙了更多WC的進一步破碎，減少了細顆粒WC所占的比例，帶來合金定量金相粒度的增加以及WC均勻性的改善，鈷粉粒度的增加對提高高鈷粗顆粒合金的WC均勻性有幫助。

2.3 合金性能檢測

三組合金的機械物理性能結果見表2，從表2可知，鈷粉的Fsss粒度從1.33 μm增加至2.70 μm，制備的合金硬度(HRA)從82.7降低到82.4，矯頑磁力從4.2 KA/m降低至4.0 KA/m，隨著鈷粉Fsss粒度的增加，硬度、磁力逐漸降低；矯頑磁力是合金飽和磁化后完全退出磁性的反磁場強度，磁力與合金的鈷層厚度成線性函數關系，鈷層厚度越厚Hc值越小，厚度越薄磁力值越大，相同鈷含量，WC晶粒度越粗，鈷層厚度越厚，磁力越低；相同鈷含量，合金的矯頑磁力與合金WC的晶粒度成反比[3]，與圖2的WC定量金相分析結果趨勢相吻合。高鈷合金隨著合金粒度的增加，合金的強度逐漸降低，合金的WC粒度分布范圍窄的，其抗彎強度值較高[9]，1#樣品對比2#樣品，定量金相從2.82 μm增加到2.93 μm，離差系數從0.70降低到0.61，抗彎強度從2220 MPa增加到2270 MPa，離差系數的降低對強度起主要作用，2#樣品對比3#樣品，定量金相從2.93 μm增加到2.98 μm，離差系數從0.61降低到0.59，強度降低到2230 MPa，離差系數降低較少，晶粒度的增加對合金的強度影響更為明顯。合金密度、鈷磁變化不明顯。

表2 機械物理性能

吳志堅[10]認為影響合金的Hc主要是由鈷粉在合金中鈷相平均自由程所決定的，較粗的鈷粉往往有較大的鈷相平均自由程，從而較粗的鈷粉在合金中有比較低的Hc，相同組成合金的Hc和硬度成正比關系[3],所以隨著鈷粉粒度的增加，磁力硬度逐漸降低。鈷粉粒度小于2 μm，抗彎強度隨鈷粉粒度的增大而先增大后減小,鈷粉粒度2 μm 之后，抗彎強度基本沒什么變化[10]，本次實驗強度先增加后降低，變化趨勢與其結論一致。

3 結論

為得到更好粒度分布的高鈷粗顆粒合金，以提高合金的綜合使用性能，通過實驗驗證不同Fsss粒度的鈷粉對高鈷粗顆粒合金性能的影響，得到以下結論：

(1)隨著鈷粉Fsss粒度從1.33 μm增加到2.70 μm，定量金相分析WC-22wt.%Co粗顆粒合金中的WC平均晶粒度略有增加，離差系數減小，適宜的鈷粉Fsss粒度能夠提高高鈷粗顆粒合金WC晶粒的均勻性；

(2)在相同的工藝條件下，隨著鈷粉Fsss粒度從1.33 μm增加2.70 μm，WC-22wt.%Co粗顆粒合金的硬度和磁力略有下降，鈷粉粒度為2.21 μm的合金強度最高，密度無明顯變化。