TiC基高錳鋼結硬質合金的制備技術升級

肖平安 ，趙吉康 ，顧景洪 ，呂 蓉 ，古思敏 ，陳玉祥 ，陳 煥

1) 湖南大學材料科學與工程學院，長沙 410082 2) 江蘇省常熟市電力耐磨合金鑄造有限公司，常熟 215500

TiC基高錳鋼結合金是以高硬度TiC為硬質相、高錳鋼為粘結相，利用液相燒結方法生產的一種硬質材料[1]。我國于20世紀70年代在株洲硬質合金廠成功開發出了該類合金的生產技術，并形成了行業標準和TM60、TM52兩個合金牌號[2]。由于具有良好的物理性能、穩定的化學性能、廣泛而優秀的工藝性能及突出的性價比，自成功開發以來該類合金就在礦山工具、工模具、耐磨結構件、耐高溫構件等領域獲得應用[2-4]。然而，與對WC-Co類硬質合金市場需求不同，國內對TiC基高錳鋼結合金的需求量一直較小，使得該類合金的專業生產企業數量和年總產量長期徘徊在低位，這也使得該類合金的生產技術與設備升級需求低，生產狀態至今仍然維持在技術原發狀態。

進入21世紀以來，由于我國交通、基建和礦山等行業的快速發展，對耐磨消耗件質量的要求越來越高，TiC基高錳鋼結合金在破碎機復合錘頭、錘盤和高壓輥磨機輥套等耐磨結構件產品中獲得越來越廣泛地應用，市場需求量迅速增大。目前，全國的專業生產廠家/車間達到了數十家，單家企業的最大年產量已經超過300噸（考慮到比重差異，相當于一家年產量700多噸的WC-Co硬質合金生產企業），去年全國的總產量達到了1500噸左右。

市場的快速擴大和逐步成熟使得生產企業和用戶對TiC基高錳鋼結合金的力學性能提出了更高的要求。實際使用表明，TM60和TM52兩種合金主要存在韌性偏低的問題，在沖擊磨粒磨損工況下，容易發生宏觀開裂與微觀掉塊磨損，使得其耐磨性能難以充分發揮[5-6]。為了改善其力學性能，國內不少學者與企業聯合在合金成分優化設計[7-9]、制備工藝改進[7,10-11]、新燒結方法與先進燒結設備應用[5,12-14]等方面開展了研究和技術升級工作，取得了一些成果，但普遍存在著生產成本增大、制備工藝復雜化、合金性能提升效果有限和產業化生產穩定性不理想等問題。本文通過產學研合作，將溫度均勻性更好和真空度更高的脫脂燒結一體化爐應用于TiC基高錳鋼結合金工業化生產，經過生產設備升級與改造和燒結技術革新，實現了穩定批量生產和合金性能的明顯提升。

1 實驗材料與方法

燒結制備了TM52和TM60兩種合金，它們的主要成分和物理性能如表1所示[1,15]。以還原鐵粉和TiC粉末為主要原料，通過傳統濕磨→干燥→摻膠→制粒→模壓成型→真空液相燒結工藝進行合金制備。采用脫脂燒結一體爐（簡稱為新爐）進行合金燒結，并專門針對TiC基高錳鋼結合金在燒結過程中成形劑容易引起爐膛臟化和Mn揮發嚴重的問題進行了爐體結構革新改造，其中燒結溫度與時間統一為1415 ℃×120 min，爐內溫度分布精度為±5 ℃，真空度穩定在1～2 Pa。作為對照組，選擇傳統普通真空燒結爐（簡稱為舊爐）制備產品，爐內溫度分布精度為±8 ℃，真空度穩定在5～15 Pa。

表1 TiC基高錳鋼結合金的成分和物理性能[1,15]Table 1 Composition and physical properties of the TiC-based high manganese steel bonded alloys[1,15]

采用阿基米德法測量制品的密度。利用Leitz-MM6型光學顯微鏡（optical microscope，OM）和FEI QUANTA 200型環境掃描電鏡（scanning electron microscopy，SEM）觀察制品的顯微組織，試樣準備包括鑲樣→粗磨→細磨→拋光四個步驟。通過HBRV-187.5型布洛維電動硬度計測試制品的洛氏硬度，每個試樣測5個點，取平均值作為其硬度指標。使用Instron3369型電子萬能試驗機和XJ-40A型沖擊試驗機測定制品的抗彎強度和沖擊韌性，抗彎試樣和無切口沖擊試樣的尺寸分別為10 mm×10 mm×35 mm和10 mm×10 mm×50 mm，試樣表面用1000目金剛石磨盤打磨光滑，取3個試樣的平均檢測值作為最終的性能指標。

2 結果與討論

2.1 密度和顯微組織

表2所示為不同設備和技術所制備的TM52和TM60密度檢測結果。由表可知，新設備和技術使得合金的密度了提高1.7%～1.8%，這一方面得益于在燒結溫度下能夠獲得更高的真空度，降低了高錳鋼金屬液與TiC顆粒之間的潤濕角，改善了它們之間的燒結性能；另一方面，在新設備條件下燒結爐內部環境顯著改善，克服了傳統燒結爐因成形劑和Mn揮發帶來的爐膛嚴重贓化問題，使得制備合金的內部雜質數量減少。

表2 TM60和TM52制品密度Table 2 Density of the TM60 and TM52 products

圖1所示為新技術與設備和傳統工藝與設備制備的TM60顯微組織光學和掃描電鏡照片。光學顯微形貌顯示采用新技術與設備制備的合金孔隙率有所降低，特別是大的連續孔隙明顯減少，有利于阻礙微裂紋快速擴張。掃描電鏡形貌表明在采用新技術與設備制備的合金中TiC顆粒更加細小，這與合金燒結性能改善使得燒結溫度相對下降有關。

2.2 硬度

表3為不同設備和工藝所制備的TM52和TM60硬度檢測結果。可以看到，采用傳統工藝與設備制備的合金硬度更高一點，這可能與傳統燒結爐爐膛成形劑贓化嚴重有關，造成了合金基體增碳。

表3 TM60和TM52制品硬度Table 3 Hardness of the TM60 and TM52 products

2.3 抗彎強度與沖擊韌性

表4為不同設備和工藝所制備的TM52和TM60抗彎強度檢測結果。可以看到，采用新設備和新技術制得的合金密度提高了1.7%～1.8%，且內部雜質數量下降，使得抗彎強度提高了30%以上。這說明該類燒結合金的強度性能對密度和雜質含量十分敏感。

表5為不同設備和工藝所制備的TM52和TM60沖擊韌性檢測結果。表中數據表明，得益于合金密度的提高和雜質含量的下降，以及連續分布型大孔隙的減少，采用新設備與技術制備合金的沖擊韌性實現了成倍提升。為改善采用傳統設備與技術制備的TM60和TM52力學性能，研究者對其開展了后續熱等靜壓處理，但所獲得的改進效果很有限。結合表4中的實驗結果可以推斷，提高合金密度和降低雜質數量對TiC基高錳鋼結硬質合金的沖擊韌性有著十分重要的影響。

表4 TM60和TM52制品抗彎強度Table 4 Bending strength of the TM60 and TM52 products

表5 TM60和TM52制品沖擊韌性Table 5 Impact toughness of the TM60 and TM52 products

實際使用發現，TiC基高錳鋼結合金在大沖擊功工況下容易發生逐層掉塊和破碎脫落等失效行為，嚴重制約了其優秀抗磨粒磨損性能的充分發揮。本研究中燒結設備與制備技術的升級與革新使得合金的強度，特別是沖擊韌性，大幅度提升。必將使采用鋼結合金進行復合的耐磨產品（如破碎機錘頭、高壓輥磨機磨輥和立磨磨盤等）的使用壽命顯著提高，并可能進一步擴大TiC基高錳鋼結硬質合金的應用范圍。

3 結論

（1）新設備與制備技術的升級與革新能夠使得TiC基高錳鋼結硬質合金的密度提高1.7%～1.8%，且其中的雜質含量有效減少，TiC顆粒粗化長大現象減輕。

（2）相對于傳統設備和工藝制備的合金，采用新設備與技術制備的TM52和TM60合金強度和沖擊韌性得到大幅度提升，尤其是沖擊韌性可實現成倍增長，有利于顯著提高抗沖擊磨粒磨損性能。